МАТЕРИАЛ С НАНЕСЕННЫМ ЛАЗЕРОМ ПОКРЫТИЕМ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящая полезная модель относится к области материаловедения, в частности к материалам с улучшенными прочностью и вирулицидными свойствами, а еще конкретнее к материалу с нанесенным лазером покрытием.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время известны различные материалы с улучшенными свойствами, используемые в различных областях техники, например в медицине, машиностроении, машиноведении, мехатронике, робототехнике, сварочном деле, материаловедении, авиационной технике, летательных аппаратах, приборостроении, радиотехнике, радиолокации, радионавигации, электронике и т.п.
Один из иллюстративных примеров материала с нанесенным лазером покрытием описан в международной публикации №2010117371 (далее WO 2010117371), опубликованной 14 октября 2010 года по индексам МПК B41J 3/407, B41J 2/01 и H05K 3/14. В частности, в WO 2010117371 раскрыт материал с нанесенным лазером покрытием, полученным при воздействии лазерным излучением на раствор, нанесенный на указанный материал и содержащий водную основу и наночастицы серебра.
Недостаток известного материала, раскрытого в WO 2010117371, заключается в том, что такой известный материал относительно быстро теряет свои эксплуатационные свойства, что уменьшает срок его службы. Быстрая потеря материалом, раскрытым в WO 2010117371, своих эксплуатационных свойств обусловлена тем, что такой известный материал может иметь структурные повреждения (например, прожженные участки, оплавленные участки и/или т.п.), появившиеся в результате нанесения покрытия на указанный материал под действием лазерного излучения с чрезмерной плотностью мощности, и/или в результате недостаточной концентрации наночастиц серебра в нанесенном на материал растворе, подвергаемом лазерной обработке для получения указанного покрытия, а также может иметь неровности в области нанесенного на материал покрытия (например, выступы, выпуклости, утолщенные участки, выемки, углубления, утонённые участки и/или т.п.), появившиеся в результате недостаточной или чрезмерной концентрации наночастиц серебра в нанесенном на материал растворе, подвергаемом лазерной обработке для получения указанного покрытия, и/или появившиеся в результате нанесения покрытия на указанный материал под действием лазерного излучения с недостаточной плотностью мощности.
Таким образом, очевидна потребность в дальнейшем совершенствовании материалов с нанесенным лазером покрытием, в частности для повышения срока службы таких материалов.
Следовательно, техническая проблема, решаемая настоящей полезной моделью, состоит в создании материала с нанесенным лазером покрытием, в котором по меньшей мере, частично устранен обозначенный выше недостаток известного материала с нанесенным лазером покрытием, заключающийся в его недостаточной долговечности.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задача настоящей полезной модели состоит в создании материала с нанесенным лазером покрытием, решающего по меньшей мере обозначенную выше техническую проблему, состоящую в создании материала с нанесенным лазером покрытием, имеющего повышенную долговечность.
Ag
Ag
Ag
Ag
Ag
Ag_min
surf
Ag_min
surf
min
surf
min
3
3
3
3
2
2
-1
3
2
3
Поставленная задача решена в настоящей полезной модели благодаря тому, что в предложенном материале с нанесенным лазером покрытием, полученным при воздействии лазерным излучением на раствор, нанесенный на указанный материал, указанный раствор состоит из основы, содержащей 1 масс.% загустителя, 5 масс.% глицерина и 94 масс.% дистиллированной воды, и наночастиц серебра, количество (m) которых в растворе определяется соотношением: m = (0,5 · C + C) · E · 100%, где С - начальная концентрация частиц наносеребра, равная 0,083 г/см; E - переходный коэффициент, равный 1 см/г; а C - расчетная концентрация наночастиц серебра (г/см), определяемая соотношением: C = C + α · ρ , где C - минимальная концентрация наночастиц серебра в растворе, равная 0,04 г/см; ρ - требуемая поверхностная плотность, равная от 0,0020 г/см до 0,025 г/см; а α - коэффициент нанесения суспензии, равный 40 см, при этом длина волны лазерного излучения составляет 1064 нм, а требуемая плотность (P) мощности лазерного излучения определяется соотношением: P = P + b · ρ, где P - минимальная требуемая плотность мощности лазерного излучения, равная 12,75 · 10 Вт/см; а b - коэффициент обработки наночастиц серебра, равный 10 Вт/г.
Материал с нанесенным лазером покрытием согласно настоящей полезной модели обеспечивает общий технический результат, заключающийся в повышении эффективности покрытия на указанном материале, в частности за счет обеспечения оптимального соотношения между плотностью мощности лазерного излучения, в результате воздействия которого на раствор было получено покрытие материала, и количеством наночастиц серебра в растворе, которые осаждаются на поверхность указанного материала в результате их ионизации указанным лазерным излучением, что позволяет ионизировать наночастицы серебра без повреждения структуры самого материала, повышая тем самым прочность указанного материала, и придать указанному материалу вирулицидные свойства.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Прилагаемый чертеж, который приведен для обеспечения лучшего понимания сущности настоящей полезной модели, составляет часть настоящего документа и включен в него для иллюстрации нижеописанных вариантов реализации и аспектов настоящей полезной модели. Прилагаемый чертеж в сочетании с приведенным ниже описанием служат для пояснения сущности настоящей полезной модели. На чертеже показан вид в разрезе материала с нанесенным лазером покрытием согласно настоящей полезной модели.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Ниже описаны некоторые примеры возможных вариантов реализации настоящей полезной модели, при этом не следует считать, что приведенное ниже описание определяет или ограничивает объем настоящей полезной модели.
На чертеже показан материал 10 согласно настоящей полезной модели, снабженный покрытием 20, нанесенным на указанный материал 10 путем воздействия лазерным излучением с заданной плотностью (P) мощности лазерного излучения на суспензию или раствор с заданным составом, нанесенным на одну из поверхностей материала 10, при этом указанное лазерное излучение может быть сформировано или сгенерировано любым известным лазером или любой известной лазерной установкой, которые выполнены с обеспечением возможности регулирования или настройки характеристик генерируемого лазерного излучения и которые способны генерировать лазерное излучение (лазерный луч) с длиной волны 1064 нм.
Следует отметить, что в качестве материала 10 может быть использован тканый материал, нетканый материал, волокнистый материал, твердый материал, эластичный материал или любой другой известный материал, который подходит для нанесения на него покрытия с использованием лазерного излучения (с приданием, в частности, такому материалу вирулицидных свойств, улучшенной электропроводимости и/или уменьшенной истираемости). Следует также отметить, что в качестве лазера может быть использован любой известный из уровня техники лазер, выполненный с возможностью его настройки и генерирующий лазерное излучение с длиной волны 1064 нм.
В одном из вариантов реализации настоящей полезной модели раствор может быть нанесен по меньшей мере на часть поверхности материала 10 с одной из его двух противоположных сторон. В другом варианте реализации настоящей полезной модели раствор может быть нанесен по меньшей мере на часть поверхности материала 10 с каждой из его двух противоположных сторон. Еще в одном варианте реализации настоящей полезной модели раствор может быть нанесен на всю поверхность материала 10 с одной или каждой из его двух противоположных сторон.
Раствор с заданным составом, нанесенный на материал 10, состоит из водной основы и наночастиц серебра (Ag), при этом указанная основа имеет следующий компонентный состав, в котором каждый из компонентов представлен в заданном массовом соотношении (масс.%): 1 масс.% загустителя, 5 масс.% глицерина и 94 масс.% дистиллированной воды. В качестве наночастиц серебра могут быть использованы, например, наночастицы серебра, полученные любым известным способом и имеющие крупность в диапазоне от 70 нм до 150 нм. Следует отметить, что в настоящей полезной модели отсутствует необходимость в пропитывании вышеописанным раствором поверхности материала 10, обрабатываемой лазерным излучением для формирования покрытия на указанной поверхности, при этом используемый для формирования покрытия раствор может быть как предварительно нанесен на участок формирования покрытия на поверхности материала, так и нанесен непосредственно перед обработкой лазером указанного участка поверхности материала.
В качестве загустителя, входящего в состав водной основы раствора, нанесенный на материал 10, может быть использована ксантановая камедь, гидроксиэтилцеллюлоза или любое другое аналогичное вещество, подходящее для удержания раствора на обрабатываемой лазером поверхности материала. Глицерин, который также используется в составе основы раствора, нанесенного на материал 10, способствует равномерному распределению загустителя в указанном растворе и предотвращает высыхание указанного раствора, что в свою очередь обеспечивает возможность более равномерного распределения раствора по обрабатываемой лазером поверхности материала 10 при нанесении на нее указанного раствора. Авторами настоящей полезной модели было обнаружено, что вышеуказанный состав основы в растворе, нанесенном на материал 10, позволяет обеспечить оптимальное соотношение между заданной плотностью мощности лазерного излучения для обработки нанесенного на материал раствора и количеством наночастиц серебра в таком обрабатываемом лазером растворе, что в свою очередь позволяет эффективно осуществить процесс ионизации наночастиц серебра, также входящих в указанных раствор в количестве, которое может быть рассчитано с использованием приведенной ниже формулы (1), без повреждения структуры самого материала 10 и/или формирования неравномерного покрытия на поверхности материала 10, т.е. позволяет эффективно нанести покрытие 20 на материал 10.
Ag
Ag
Количество (m) наночастиц серебра (в процентном выражении, %) в вышеописанном растворе в целом зависит от расчетной концентрации (C) наночастиц серебра в указанном растворе и может быть определено с использованием следующей формулы:
Ag
Ag
m = (0,5 · C + C) · E · 100%, (1)
3
3
3
Ag
где С - начальная концентрация частиц наносеребра, равная 0,083 г/см; E - переходный коэффициент, равный 1 см/г; C - расчетная концентрация наночастиц серебра (г/см).
Ag
b
b
Ag
Таким образом, состав раствора, наносимого на обрабатываемый лазером материал 10, по сути зависит от процентного количества (m) наночастиц серебра в указанном растворе, определяемого по формуле (1), при этом основа с вышеописанным составом по сути представлена в указанном растворе по остаточному принципу, в частности в процентном количестве (m), определяемом следующим образом: m = 100% - m.
Ag
Ag
surf
Расчетная концентрация (C) наночастиц серебра в вышеописанном растворе, используемая в формуле (1) для определения количества (m) наночастиц серебра в указанном растворе, в целом зависит от требуемой поверхностной плотности (ρ) и может быть определена с использованием следующей формулы:
Ag
Ag_min
surf
C = C + α · ρ , (2)
Ag_min
surf
3
2
2
-1
где C - минимальная концентрация наночастиц серебра в растворе, равная 0,04 г/см; ρ  - требуемая поверхностная плотность, имеющая значение, выбранное из диапазона от 0,0020 г/см до 0,025 г/см (этот диапазон значений получен экспериментальным путем для различных материалов и различных направлений их использования); а α - коэффициент нанесения суспензии, равный 40 см.
Ag
Авторами также было обнаружено, что для обеспечения возможности эффективного осуществления процесса ионизации наночастиц серебра с одновременным обеспечением оптимального соотношения между заданной плотностью мощности лазерного излучения, используемого для обработки нанесенного на материал раствора, и количеством (m) наночастиц серебра в таком обрабатываемом лазером растворе, определенном по формуле (1), указанный раствор на поверхности материала (10) должен быть подвергнут обработке лазерным лучом или лазерным излучением с требуемой плотностью (P) мощности лазерного излучения.
surf
Требуемая плотность (P) мощности лазерного излучения, которым воздействуют на раствор, в целом также зависит от требуемой поверхностной плотности (ρ) и может быть определена с использованием следующей формулы:
min
surf
P = P + b · ρ , (3)
min
3
2
3
где P - минимальная требуемая плотность мощности лазерного излучения, равная 12,75·10 Вт/см (т.е. то значение плотности мощности лазерного излучения, которое способно обеспечить надлежащее влияние или воздействие на основу, входящую в состав раствора, с обеспечением ее испарения); а b - коэффициент обработки наночастиц серебра, равный 10 Вт/г.
3
2
3
2
В предпочтительном варианте реализации настоящей полезной модели значение требуемой плотности (P) мощности лазерного излучения, рассчитанное по формуле (3), должно находиться в диапазоне от 12,75·10 Вт/см до 17·10 Вт/см.
Следует отметить, что при слишком или чрезмерно высоком значении требуемой плотности (P) мощности лазерного излучения, которым воздействует на раствор, материал 10 может быть поврежден, в частности прожжен или оплавлен, а лазерное излучение со слишком или чрезмерно низким значением требуемой плотности (P) мощности лазерного излучения по сути не обеспечит надлежащую лазерную обработку наночастиц серебра в растворе и, следовательно, не обеспечит возможность эффективной ионизации наночастиц серебра на поверхности материала 10, на которую они нанесены в составе раствора.
Таким образом, вышеописанные формулы (1-3) позволяют получить оптимальное соотношение между плотностью мощности лазерного излучения, в результате воздействия которого на раствор было получено покрытие 20 материала, и количеством наночастиц серебра в растворе, которые осаждаются на поверхность материала 10 в результате их ионизации указанным лазерным излучением, что в свою очередь позволяет не только ионизировать наночастицы серебра без повреждения структуры самого материала, повысив тем самым прочность материала 10, но и придать материалу 10 вирулицидные свойства.
Способ нанесения покрытия 20 на материал 10 содержит следующие основные этапы, согласно которым:
(i) обеспечивают наличие или берут любой необходимый тканый или нетканый материал, на поверхность которого должно быть нанесено покрытие с использованием лазерного излучения;
(ii) выбирают значение требуемой поверхностной плотности в зависимости от типа выбранного материала и направления его использования и приготавливают раствор путем смешивания основы с вышеописанным компонентным составом и наночастиц серебра, процентное количество которых в указанном растворе определяют с использованием приведенных выше формулы (1) и формулы (2);
(iii) ровным и однородным слоем наносят раствор, приготовленный на этапе (ii), на обрабатываемую поверхность материала 10;
(iv) обеспечивают наличие или берут известную в уровне техники лазерную установку с подходящими характеристиками, и задают мощность этой лазерной установки с учетом значения требуемой плотности (P) мощности лазерного излучения, определенного по приведенной выше формуле (3);
(v) осуществляют обработку раствора, нанесенного на этапе (iii) на обрабатываемую поверхность материала 10, с использованием лазерной установки, выбранной на этапе (iv), путем воздействия лазерного излучения, генерируемого указанной установкой, на указанный раствор, что обеспечивает возможность испарения основы раствора и ионизацию наночастиц серебра, в результате которой указанные наночастицы серебра оседают на поверхность материала 10 (т.е. происходит процесс осаждения наночастиц серебра на обрабатываемую поверхность) с обеспечением их адгезии к указанной поверхности. Следует отметить, что в процессе ионизации наночастиц серебра лазерным излучением не происходит деформации или нагрева материала 10, поскольку все процессы происходят исключительно в приповерхностном слое материала 10. Следует также отметить, что процесс обработки материала 10 с нанесенным на его поверхность раствором с вышеописанным составом, с использованием лазерного излучения, позволяет локально и прецизионно наносить покрытие 10 на указанную поверхность.
Следует отметить, что процесс осаждения наночастиц серебра на обрабатываемую поверхность и процесс ионизации наночастиц серебра лазерным излучением в соответствии с вышеописанным способом нанесения покрытия на поверхность материала также придает указанному материалу вирулицидные свойства, повышает его электропроводимость и/или уменьшает его истирание в процессе эксплуатации (т.е. повышает его прочность).
Следует также отметить, что процесс осаждения наночастиц на обрабатываемую поверхность и процесс ионизации наночастиц серебра лазерным излучением в соответствии с вышеописанным способом нанесения покрытия на поверхность материала также позволяет осуществлять локальное восстановление поврежденных участков покрытия, ранее нанесенного на материал 10.
В одном из вариантов реализации настоящей полезной модели каждый участок поверхности материала (или каждая единица площади поверхности материала) с нанесенным на него раствором может быть дважды обработан лазерным излучением, в частности за два перпендикулярных по направленности прохода лазера (т.е. за два прохода, осуществленных под углом 90 градусов по отношению друг к другу), что повышает эффективность обработки, поскольку распределение мощности в поперечном сечении лазерного пучка является неоднородным (принято в соответствии с распределением Гаусса), а обрабатываемый материал, в частности ткань, может иметь некоторую волнистость.
Представленные варианты осуществления, примеры и описание служат лишь для обеспечения понимания заявляемого технического решения и не являются ограничивающими. Другие возможные варианты осуществления будут ясны специалисту из представленного описания. Объем настоящей полезной модели ограничен лишь прилагаемой формулой полезной модели.