Диссертация (1097617), страница 27
Текст из файла (страница 27)
В соответствии с теорией термоупругости [Тимошенко и др., 1975] возникающиепри лазерном воздействии градиенты температуры вызывают напряжения:σ r=αETMαE 2q a2τ=,1 − 2ν (1 − 2ν ) λ2 πздесь α - коэффициент теплового расширения, E - модуль упругости, ν коэффициент Пуассона.Предполагается, что разрушение чувствительного элемента происходит, когданапряжения достигают предела прочности σ r . Этот механизм осуществляется в области147лазерных параметров, которая может пересекаться с областью термического разрушения,ограничивая искомый диапазон воздействия.Для плотности мощности, приводящей к разрушению чувствительного элементаполучаем:qr =σ rλ2 (1 − 2ν ) π2αE a2τ(5.3)Расчеты, произведенные на основании теоретической модели, позволяющей получитьраспределение температурного поля в системе пленка-подложка, позволили определитьдиапазон лазерных параметров, при которых лазерный нагрев слоя полимерных микрочастицс чувствительным элементом внутри приводит к расплавлению полимерной оболочки исохранению функциональности чувствительного элемента.Подставив в уравнение (5.1) величины температур, соответствующие началу процессаплавления (70° С) и максимальной температуры, соответствующей сохранениюработоспособности [Баум и др., 2016] биологического комплекса из biotin-pentafluorophenylester (90° С), для длительности облучения 10 мс были получены границы диапазонаплотностей мощности, в котором происходит плавление внешней полимерной оболочкимикрочастиц без повреждения находящихся внутри них чувствительных элементов.
Такимобразом, найденный диапазон допустимых лазерных интенсивностей для проведенияэффективного и безопасного лазерного воздействия при длительности лазерного импульса 10мс составляет 25-35 Вт/cм2.Результаты расчетов границ области допустимых режимов лазерного воздействия поформулам (5.2) и (5.3) представлены на Рис. 5.12. Местоположения кривых 1 и 2 следует изуравнения (5.1). Линия 1 соответствует началу процесса плавления полимерной оболочкипри нагревании от комнатной температуры (20° С).
Видно, что началу плавления привыбранной для последующих экспериментов нижней границы плотности мощности 25Вт/cм2 соответствует время нагрева 10 секунд. Линия 2 соответствует началу термическогоразрушения чувствительного элемента и для при выбранной для экспериментов верхнейграницы плотности мощности 35 мВт/см2, данный процесс начнется через 10 сек. Линия 3 соответствует плотности мощности, при которой происходит разрушение чувствительногоэлемента благодаря возникающим напряжениям расширения-сжатия облучаемой системы ирассчитывается на основании формулы (5.3) и для рассматриваемого случая оно составляетна 10 секунде нагрева 32.5 Вт/cм2, что ограничивает диапазон возможных плотностеймощности сверху. Воспользовавшись параметрами, известными для рассматриваемой148системы [Григорьев и др., 1991]: σr= 40 [МПа], λ2=1 [Вт/(м×К)], ν=0.35, α =70×10-6 [1/K], E=1.2 [ГПа], a2=3.4×10-7 [м2/с], получаем зависимость qr(t) (Рис.5.13)Таким образом, оптимальной для получения минимального радиуса наплавленнойточки является область между линиями 1, 2 и ниже линии 3 на Рис.5.13.Рис.
5.13. Границы области допустимых режимов лазерного воздействия при наплавкетонкой пленки из чувствительных элементов, покрытых полимерной оболочкой: линия 1соответствует началу процесса плавления полимерной оболочки при нагревании откомнатной температуры (20° С); линия 2 - началу термического разрушениячувствительного элемента; линия 3 соответствует плотности мощности, при которойпроисходит разрушение чувствительного элемента вследствие возникающих напряженийрасширения-сжатия облучаемой системы; Зона допустимых режимов заштрихована.Если температура в центре лазерного пятна превышает температуру разрушения(90°С), то после ее достижения чувствительный элемент, находящийся в полимерной пленкебудет разрушен, и потеря его функциональности может быть установлена экспериментальнос помощью люминесценции.1495.5.2.
Экспериментальное исследование процессов лазерной наплавкидиагностических матриц на длине волны 810 нмНа Рис. 5.14 представлены фотографии капель из расплавленных лазернымвоздействием полимерных частиц с чувствительными элементами по всему объему (слева) иих люминесценции (справа) после их взаимодействия чувствительных элементов слюминофором «streptavidin alexa fluor 546».
На основании этих результатов можно сделатьзаключение о сохранении активности чувствительных элементов.Рис .5.14. Вид капель из расплавленных лазерным воздействием полимерных частиц счувствительными элементами по всему объему (слева) и их люминесценции (справа) после ихвзаимодействия чувствительных элементов с люминофором «streptavidin alexa fluor 546».На Рис. 5.15 приведена динамика нагрева пленки на подложке, полученная спомощью тепловизора для двух лазерных интенсивностей, соответствующих границамдопустимого диапазона, при которых не происходит повреждения чувствительного элемента.Рис.
5.15. Динамика нагрева пленки на подложке от времени облучения, для границбезопасного диапазона плотностей мощностей 25 Вт/см2 (нижняя кривая) и 33 Вт/см2(верхняя кривая).150На Рис.5.16 приведены спектры полимеров: интактного и после лазерноговоздействия, при облучении с двумя значениями плотности мощности (25 и 33 Вт/см2),соответствующим границам допустимого диапазона.Рис. 5.16.
КР-спектрометрия полимерных микрочастиц для случаев необлученного слоя иоблученного при двух значениях плотности мощности, соответствующим границамдопустимого диапазона.Таким образом, экспериментальные результаты подтвердили возможностьнаплавления полимерных частиц без повреждения содержащихся в них чувствительныхэлементов впри использовании лазерных импульсов длительностью 10 мс в диапазонеинтенсивностей 25 - 33 Вт/см2. КР-спектрометрия полимерных микрочастиц показала, что вданном диапазоне лазерных интенсивностей не происходит химических и фазовыхпревращений.5.2.3.
Экспериментальное исследование процессов лазерной наплавкидиагностических матриц на длине волны 532 нмВлияние лазерных параметров на размер наплавленной каплиИсследовалось влияние лазерных параметров на размер области, подвергшейсявоздействию. Мощность излучения изменялась от 150 до 330 мВт. Длительность импульса от5 мс до 14 мс Диаметр лазерного пятна на поверхности подложки с пленкой полимерасоставлял 15 мкм, расстояние между центрами лазерного воздействия - 100 мкм.151Для исследования сохранения функциональности чувствительного элемента послелазерного воздействия на подложку наносился слой люминофора, вступающий вхимическую реакцию с чувствительным элементом в случае сохранения его биологохимической активности, что по наблюдению люминесценции делалось заключение осохранении активности чувствительных элементов (Рис.
5.17).Рис.5.17. Точечные капли расплавленного полимера с чувствительными элементами внутри,обработанные люминофором «streptavidin alexa fluor 546». Лазерная мощность изменяласьот 150 до 330 мВт снизу вверх с шагом 20 мВт. Длительность импульса от 5 мс до 14 мсслева направо с шагом 1 мс. Диаметр лазерного пятна на поверхности подложки с пленкойполимера 15 мкм, расстояние между центрами лазерного воздействия - 100 мкм.Минимальный размер наплавленных капель полимера в этих экспериментахсоставил 30 мкм.Экспериментальное исследование влияния различных параметров лазерногооблучения на размер наплавленной капли подтвердило теоретические результаты и выводы.Согласно данным на Рис .5.17 для подложек с наплавленными элементами в левой нижнейполовине картины мы имеем оптимальное воздействие, приводящее к плавлению внешнейполимерной оболочки и созданию расплавленных капель на подложке, образующих послеостывания полусферы с характерным радиусом, зависящим от временных и энергетическихпараметров лазерного облучения.
В то же время в правой верхней половине происходитвыход за область оптимального лазерного облучения, приводящий к разрушениюцентральной части и исчезновению люминесцентной картины в центрах капель, чтосоответствует разрушению чувствительных элементов. Из Рис. 5.17 видно, что существует«диагональ» из верхнего левого угла картинки в правый нижний угол, разграничивающаядве области - область разрушенных чувствительных элементов и область эффективновзаимодействующих с люминофором центральных частей.152Наплавление для малого лазерного пятнаБыло произведено наплавление полимера на подложку в диапазоне близких коптимальным параметров: длина волны лазерного излучения 532 нм, мощность 40 мВт,время 10 мс, облучение производилось оптоволокном диаметром 600 мкм, излучение наоблучаемой поверхности сфокусировано в 6 мкм.
На Рис. 5.18 представлена оптическаяфотография наплавленных капель со средним диаметром 13,5 ± 0.5 мкм при зернистостиполимерной пленки 3-4 мкм.Рис. 5.18. Оптическая фотография наплавленных капель полимера при фокусировкелазерного пятна в 6 мкм, длительности лазерного импульса 10 мс, бар = 20 мкм.Для увеличения плотности наплавки в работе было исследовано воздействиелазерного излучения с малыми размерами лазерного пятна (диаметром 3 мкм), сравнимым сдиаметрами полимерных оболочек (3-4 мкм).
Но рассмотрение теоретической модели,описывающей влияние термопластичности на максимальную плотность наплавленияпоказало нецелесообразность уменьшения диаметра пятна менее 6 мкм, посколькувозникающие большие градиенты температуры и соответствующие пластическиедеформации приводят к увеличению диаметра наплавленного элемента, уменьшая темсамым плотность наплавки.По плотности мощности выбранный диапазон облучения соответствует центральнойчасти диапазона, представленного на Рис.5.17 (облучение пятном 15 мкм при мощности 250мВт длительностью 10 мс). В этом эксперименте по наплавлению для случая малоголазерного пятна получен диаметр наплавленных капель 13-14 мкм при зернистостиполимерной пленки 3-4 мкм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
