第1章绪论
清洗是日常生活和生产中常见的活动，激光清洗则是一种高新技术。本章*先介绍清洗的概念及其意义，常用的清洗技术，接着介绍激光清洗技术、所用设备、分类和应用。
1.1清洗的概念及其意义
1.1.1清洗的概念
在生活和生产过程中，物体(主要是固体，也有液体)受到环境影响，会在其表面黏附或生成一些附着物或污染物，如衣服上的灰尘、半导体基片上的微粒、工件上的油垢、模具上的橡胶、铁板上的锈蚀、油画上的污渍、水面上的油污等。为了工作和防护的需要，人们会在固态物体表面添加或加工形成保护层或防护性附着物，如金属表面的钝化层、材料上的油漆等。
对于这些污染物或附着物，无论是自然和被动形成的，还是人为主动添加的，在一定情况下都需要清除，以恢复物体的原貌和功能。利用某种清洗媒介以物理、化学或生物的方式将这些污染物或附着物从物体表面去除，以恢复物体原貌的过程称为清洗。
在日常生活中，清洗家具、厨具、服装等，可以提高物体外观感觉上的价值，提高物品的卫生标准，有利于人体健康，改善生活环境，提高人们的生活质量。在工业生产中，清洗是一项极其重要的工作，常用的清洗作业有：清除厂房、建筑物、运输工具内外表面的污垢；定期清洗生产设备，以避免腐蚀；清除原材料表面污垢，保持材料的表面性质，保证后续生产工序的实施。比如，对金属表面进行镀膜、喷漆和电镀前，需要先对金属表面进行清洗处理，去除污垢以增强加工后的效果；又比如，清洗使用一段时间后的工业生产设备和工业元器件，可以提高生产效能，防止锈蚀。
总之，在生活、工农业生产、科学研究等多个领域，每天都要进行大量的清洗工作。清洗已经发展成一门涉及范围广泛、内容丰富的实用技术。
1.1.2清洗四要素
对于清洗过程，存在四个要素[1]：
(1)清洗基底材料：待清洗物体一般是固态物，如半导体线路板、桥梁、机器、零件、钢板等。
(2)清洗污染物：因为物理作用、生化反应等多种因素，在基底材料表面上附着的油污、铁锈、灰尘，或者为了保护材料在其表面人为喷涂的油漆等保护层，称为污染物或附着物。这些污染物或附着物就是需要清洗去除的目标物。为了方便起见，本书中统一称为污染物，包括有机物、无机物或有机无机混合物，有颗粒状污染(附着)层，也有连续污染(附着)层。将附着有清洗目标物的基底材料称为清洗对象。
(3)清洗介质：清洗介质即在清洗过程中使用的物质，通过物理作用、生化反应，将目标物从清洗对象的表面剥离去除。常见的清洗介质包括水、化学试剂、铁砂、激光、电磁波、干冰、超声波等。
(4)清洗力：利用清洗介质进行清洗时，在清洗对象、清洗介质、目标物之间存在着作用力，通过该作用力，可以实现清洗。在不同的清洗技术中，作用力也不同，主要包括物理力、吸附力、酶力、溶解力、表面活性力、化学反应力等。
1.1.3基底材料和污染物的种类
基底材料和污染物有很多种类别，不同的类别，优先采用的清洗方法也不完全相同。
1.基底材料类别
基底材料包括金属材料(如钢铁、铝合金等)、非金属材料(如橡胶、塑料等)以及复合材料。
2.污染物类别
污染物按照形状来分，可以分为颗粒状污染物、连续膜状污染物；按照成分来分，可分为有机污染物、无机污染物和混合污染物；按油水亲疏性来分，可分为亲水性污染物和亲油性污染物，前者有可溶于水的食盐等无机物和蔗糖等有机物，后者有油脂、矿物油、树脂等有机物；按照材料来分，可分为基底氧化形成的氧化膜、外加的油漆等覆盖涂层、加工过程中产生的半导体或金属微粒等。
1.1.4基底材料与污染物之间的作用力
污染物之所以能够吸附在基底材料上，是因为相互之间存在作用力。主要的作用力和污染物吸附形式有如下几种。
(1)因为重力作用在物体表面沉降而堆积的污染物，如较薄的灰尘；
(2)靠分子之间吸附作用结合于物体表面的污染物，如油污；
(3)因静电吸引力附着在物体表面的污染物，如线路板上的微小硅粒；
(4)因化学键而紧密结合的污染物，如铁锈；
(5)因为水汽而产生的毛细力，如潮湿环境下粘在物体表面的微粒；
(6)其他作用力。
当然，以上这些吸引力往往是同时存在的，只不过不同条件下的表现不同。比如微粒线度达到微米或更小时，重力就不是主要因素了，而分子之间的吸附力(范德瓦耳斯力)则成为主要的了；又比如，在潮湿环境下，污染物与基底之间的毛细力就变成很重要的吸附力了。
1.2常用的清洗技术
针对不同的作用机制可以选择不同的清洗方法。概括起来，清洗可以分成化学清洗法、物理清洗法两大类，对应着化学清洗技术和物理清洗技术。生物清洗法可以算单*的一类或归于化学清洗法(因为有生化反应)[1，2]。很多清洗方法综合了物理清洗法和化学清洗法。每一类清洗方法都有各自的优缺点。根据待清洗产品、污染物、污染物与基底结合机制的特点和清洗要求，选择合适的清洗技术和方法，才能取得良好和经济的清洗效果。
由于物理清洗与化学清洗有很好的互补性，在生产和生活实践中往往把两者结合起来以获得更好的清洗效果。其实，在很多清洗技术中，物理作用和化学作用是同时存在的，比如超声波清洗中，使用的液体往往是化学试剂；热能清洗技术中，会同时利用物理和化学变化；等离子体清洗中兼有物理和化学过程。
1.2.1化学清洗技术
化学清洗技术有很多优点：清洗时间较短，效率高；使用成本较低；可以去除多数物理清洗技术不易去除的硬垢和腐蚀产物；对设备内间隙小的部位也能进行清洗；有些化学清洗可以在不停机的状态下进行。化学清洗技术也存在诸多缺点：化学溶剂有可能对基底造成损伤，而且残留的化学试剂的稳定性难以判定，有可能在未来发生变性引发危险；化学清洗时处理不当或缓蚀剂使用不当，会引起设备腐蚀；清洗后的废液需要进行处理，而废液的处理目前来说是一大难题，处理不当会对河流和土壤造成二次污染，危害环境；在使用化学药剂进行清洗时，操作处理不当可能会对工人的健康、安全造成危害。下面介绍几种常用的化学清洗技术[3]。
1.化学试剂清洗技术
化学清洗主要依靠化学药品或其他溶剂对污染物进行浸泡或喷淋，进而产生化学反应分解污染物，或利用化学试剂与表面污染物发生化学反应以达到去除的目的。如用各种无机或有机酸去除物体表面的锈迹、水垢，用氧化剂去除物体表面的色斑，以及对垢层的酸洗、碱洗等。为使基材在化学清洗中不受腐蚀或将腐蚀率控制在允许范围内，通常要在化学清洗液中加入适量的缓蚀剂和起活化、渗透、润湿作用的添加剂。
2.电解清洗技术
电解清洗技术利用电解技术将金属表面的污染物去除。包括电解脱脂和电解研磨除锈，前者可将金属表面的油污等脂类污染物去除，后者则可将金属表面的氧化物去除。电解脱脂是把欲清洗的金属材料与电极相连，放入电解槽中，通过电解，金属表面产生细小的氢气或氧气气泡，其采用的电解液是碳酸钠、氢氧化钠等碱性水溶液。电解研磨除锈则是将欲清洗的金属浸在酸性或碱性电解液中，金属作为阳极，通入电流，对金属进行研磨，使金属表面有微小凸起的部分先得到研磨，而后电解腐蚀，直到*后获得平滑光泽的表面。这种方法使用的范围比较小。
3.生物清洗技术
微生物中会存在和清洗有关酶类催化剂，其中主要的四类是蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和纤维酶。这些酶实际上是具有特殊清洗功能的催化洗涤剂。一般地，它们的催化反应比非酶催化剂的反应速度快106～1012倍。
生物清洗是利用微生物内细胞产生的这些酶，对基底表面的污染物进行分解，使之转化为无毒无害的水溶性物质。
洗衣粉和牙膏中都有微生物酶。在生产和生活中，如管道清洗，污染物中有剩饭剩菜等植物残渣，或者油垢泥渣等堵塞的成分，往往在清洗剂中加入生物酶，清洗效果会表现得更好。棉布、人造棉、黏胶纤维、丝绸、混纺织物等服装和布料，特别是不能用碱清洗的丝绸和化纤混纺衣服，用微生物进行清洗，则效果很好，具有手感柔软、光洁度强的特点。
1.2.2物理清洗技术
物理清洗是利用力学、热学、声学、光学、电学等物理原理，依靠外来的能量作用，如机械摩擦、加热、超声波、高压、冲击、紫外线、蒸气等去除物体表面上的污染物，清洗过程中没有(或者可以忽略)化学反应和化学污染。常用的物理清洗技术有水汽清洗技术、高压水射流清洗技术、电脉冲清洗技术、超声波清洗技术、喷丸清洗技术、机械刮削清洗技术等。
物理清洗技术具有效率较高、腐蚀少、相对比较安全等优点。其清洗成本较低，除了设备和操作人员以外，其他成本支出较少，而且设备可多次连续使用。该技术不改变基底材料的化学组分，对清洗物基体基本没有腐蚀破坏作用。不过它也存在缺点：当需要清洗的设备内部结构复杂时，外力驱动的物理清洗介质有时候难以到达所有部位而出现“死角”；对于黏附力强的硬垢和腐蚀产物，物理清洗的效果不是很理想；有些物理清洗法会产生噪声和粉尘污染(如喷砂清洗法)，或者造成二次污染(如高压水射流清洗，使用后的水如直接排放，就会造**的污染)。
在工业生产中，物理清洗技术多种多样，常用的物理清洗技术包括喷砂清洗、高压水射流清洗、干冰清洗、超声波清洗等技术。下面对这几种技术予以简单介绍[1]。
1.喷砂清洗技术
喷砂清洗又称为喷丸清洗，是目前在工业生产中使用广泛的一种机械清洗技术。通过真空压力泵将高浓度的研磨材料(如细小的铁丸、砂子)高速喷射至欲清洗材料表面，欲清洗材料表面受到高速度大动能磨料小丸的冲击和摩擦作用，可以将基底材料表面的油漆、氧化皮、油污等多种表面污染物去除。这种技术的优点是：技术成熟，成本较低，可以同时清洗多种污染物，能够获得粗糙度合适的表面，以便于后期实施涂漆等工序。其缺点是：耗电量大，工作室噪声大，灰尘多，不利于操作工人的健康和环境保护。
2.高压水射流清洗技术
高压水射流清洗技术是20世纪70年代研发的，到了21世纪初开始得到推广和应用。这种技术以水作为介质，通过高压技术，产生高压水，从喷嘴高速喷射出来的水流具有很大的动能，当其射向被清洗物表面时，利用其冲力和磨削作用，使得基底材料表面的污染物被清洗掉。高压水射流清洗技术的优点是：可以同时去除掉多种污染物，相对于喷砂清洗而言，其噪声相对较低，也没有弥漫的灰尘。其不足在于：高压水射流设备成本较高，掺有污染物的水需要二次处理，提高了成本；很多基底材料是钢铁和金属，高压水清洗后，水分子会渗透到材料中，容易产生新的腐蚀现象，不利于后续使用和加工。
3.干冰清洗技术
干冰清洗技术也称干冰冷喷射清洗技术。干冰就是固态的二氧化碳，将液体二氧化碳通过干冰造粒机可以制成固态的干冰小球。使用时，外接压缩空气，使得干冰小球随高速运动的气流被加速到接近声速，喷射出去，撞击待清洗物体的表面，基底表面上的污染物会因为突然的撞击，以及接触干冰后导致温度骤降而发生脆化，或收缩后产生裂缝，进而这些温度极低的干冰小球或气体(部分小球已经气化)进入出现裂缝的污物内，干冰小球迅速升华为气体，在这个过程中污染物的体积在极短时间内能够膨胀数百倍，使得污染物碎裂，从而从基底表面剥离。干冰清洗技术常常使用在一些特定场合，如轮胎模具的小范围清洗。对于大规模清洗，其成本高，效率低，因而难以广泛使用。
4.超声波清洗技术
超声波是指频率高于20kHz的声波，超声波清洗技术是利用超声换能器向清洗液中辐射超声波，利用超声波的能量对浸在液体中的零部件进行清洗。超声波清洗效率高、效果好，对于一些其他清洗方法难以奏效的情况，如疏通细小孔洞、异形物件以及物件隐蔽处的清洗，超声波更是*具优势。超声波清洗还能达到杀灭细菌、溶解有机污染物、防止过腐蚀等目的。目前已应用在机械、电子、医药、食品化工、航天、核工业等领域。但是超声波的穿透力非常强，对人体有一定
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