Диссертация (1097617), страница 28

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 28)

Флуктуация диаметра наплавленных капель может бытьсвязана с неравномерностью зернистости слоя полимерных микрочастиц. Достигнутая приэтом плотность наплавления составляет 110000 точек на 1 см2.153По сравнению с первой серией экспериментов (с диаметром лазерного пятна 15 мкм),уменьшение диаметра пятна в 2,5 раза (до 6 мкм) при длительности лазерного импульса 10мс позволило уменьшить размеры зоны наплавки в 2.2 раза (до 13.5 мкм).5.3. Численная оценка максимальной плотности наплавленияПлотность наплавления ограничивается минимальным размером лазерноговоздействия L, который складывается из диаметра лазерного пятна d и размеров зоныпрогрева.Диаметр лазерного воздействия:L = d + 2 a1τТаким образом, можно вычислить минимальное расстояние между центрамилазерного воздействия, а соответствующая максимальная плотность лазерного воздействияможет быть определена как:11=2Ld + 2 a1τ()2(5.4)Для рассматриваемой системы (Рис.5.17) рассчитанная по формуле (5.4)максимальная плотность наплавления при диаметре лазерного пучка 15 мкм и величинезадействованной зоны 20 мкм равна 250000 на см2.

Уменьшение диаметра пятна в 2 раза неприводит к увеличению плотности чувствительных элементов чипа в 4 раза. На диаметрзоны лазерного воздействия и максимальную плотность наплавления существенное влияниеможет оказать также пластичность материала, возникающая при неоднородном лазерномнагреве вне зоны плавления.5.4. Влияние термопластичности на максимальную плотность наплавленияДля определения области параметров, в которых наблюдается термопластичность, втеоретической модели термоупругости (Глава 3) производится переход к приближениютонкой пленки находящейся в температурном поле T(r, q, τ), и решается системадифференциальных уравнений равновесия без рассмотрения распределенной поверхностнойнагрузки. Предполагается, что напряжения и перемещения, вызванные нагревом, неменяются в переделах тонкой пластины по ее толщине.

Радиальное и угловое напряжения σ rи σ θ должны удовлетворять уравнению равновесия:154dσ r σ r − σ θ+=0drr(5.5)Обозначим через ε r полную радиальной деформацией, а через ε r − αT (r , q,τ ) еечасть, вызванную действием теплового напряжения. Тогда для радиальной и угловойкомпонент деформации в полярных координатах имеем:1(σ r − νσ θ )E1ε θ − αT (r , q,τ ) = (σ θ −νσ r )Eε r − α T ( r , q ,τ ) =(5.6)здесь α — коэффициент теплового расширения, E — модуль упругости, ν —коэффициент Пуассона.Разрешим соотношения (5.5) и (5.6) относительно радиальной и угловой компонентнапряжений и получим для компонент напряжений:E[ε r + νε θ − (1 + ν )αT (r , q,τ )]1 −ν 2Eσθ =[ε θ + νε r − (1 + ν )αT (r , q,τ )]1 −ν 2σr =(5.7)Подставляя (6.7) в (6.5) получаем:rd[ε r + νε θ ] + (1 −ν )(ε r − ε θ ) = (1 + ν )αr d [T (r , q,τ )]drdr(5.8)Если через u обозначить радиальное перемещение, то для радиальной и угловойкомпонент деформации в полярных координатах имеем:εr =duu, εθ =drrПодставляя эти выражения в (5.8) с учетом того, чтоu = (1 + ν )αr1CT (r , q,τ )rdr + C1r + 2 , получаем окончательные выражения для напряжений:∫rarr1 b1τT(r,q,)rdr−T (r , q,τ )rdr 2 ∫2 ∫r 0b 0σ r = αE br11σ θ = αE  − T (r , q,τ ) + 2 ∫ T (r , q,τ )rdr + 2 ∫ T (r , q,τ )rdr b 0r 0где b - граница области интегрирования по радиусу r.(5.9)155Область пластических деформаций определяется критерием Мизеса: σ θ − σ r = σ s , гдеσ s является напряжением, соответствующим пределу текучести, приводящему кнеобратимым деформациям [Ишлинский и др., 2001].Область облучаемой лазером поверхности радиусом r не подвержена разрушению ирасплыванию по площади в том случае, если мощность облучения и его длительностьописывается неравенством: 2 rT (q,τ , r )rdr − T (q,τ , r )  ≤ σ s2 ∫r 0αE (5.10)В каждом слое, перпендикулярном распространению лазерного луча температураможет быть аппроксимирована распределением Гаусса.

В полимерном поверхностном слое,максимум экспоненты будет соответствовать максимальной температуре, рассчитываемой извыражения (5.2), тогда (5.10) можно записать в виде: 4 q a2τ r r2  r2 exp − 2 rdr − exp − 2   ≤ σ sαE 2r λ π ∫0 rT  rT  (5.11)Подставляя в (5.11) параметры системы, представленной на Рис.5.14: мощность 40мВт, время 10 мс, λ = 0,1 [Вт/(м×К)], a2 = 3.4×10-7 [м2/с], получаем для максимумавыражения в левой части 6,5 МПа, что удовлетворительно согласуется с литературнымиданными по пределу текучести биополимеров, которые составляют σ s = 12 МПа [Sobol et al.,2007] и 7 МПа [Каргин, 1972].Расчеты показывают, что максимальные напряжения в этом случае расположены покольцу с радиусом 13 мкм.

В этой области происходит подплавление полимера иподтягивание расплавленного материала в сферообразную каплю, что увеличивает радиускапли и уменьшает достижимую плотность наплавки. Увеличение мощности и времениприводит к увеличению области подплавления и еще большему увеличению радиусанаплавленной капли. Таким образом, превышение предела пластических деформацийприводит к увеличению диаметра наплавленного элемента, уменьшая тем самым плотностьнаплавки. Результаты расчетов на основе выражения (5.11) показывают существенный вкладтермопластичности в наблюдаемое экспериментально отклонение от квадратичнойзависимости максимальной плотности наплавки от диаметра лазерного пятна.156Выводы по результатам главы 5В результате экспериментальных исследований на минисвиньях были полученыадекватные модели дефектов суставного хряща: (1) травматического повреждениясуставного хряща и (2) модель артроза суставов. Лазерно-индуцированная регенерацияхряща гиалинового типа через два месяца приводила к значительному восстановлениюхрящевой пластины сустава, что подтверждается гистологическими картинами суставногохряща после лазерного воздействия на оба типа дефектов на длинах волн 1,56 мкм и 1,45мкм.

Важно отметить, что, регенерация поверхностного дефекта происходит не путемзамещения фиброзным хрящом, а путем роста гиалинового хряща.Лазерное воздействие на модифицированную ткань сустава обоих типов,продемонстрировало, что основные лазерно-индуцированные изменения структуры матриксадля исследуемых лазерных параметров происходят в непосредственной близости кхондроцитам, в территориальном матриксе и проявляются в увеличении его электроннойпрозрачности и образовании сферических пустот - газовых пузырьков. Существенную роль встабилизации лазерно-индуцированной модификации структуры реберного хряща, склеры ироговицы глаза играют газовые нанопузырьки, образующиеся при небольшом лазерномнагреве вследствие температурной зависимости растворимости газов.В результате исследований были определены основные тканевые мишени лазерноговоздействия на хрящ: (1) Резидентные (местные) и костно-мозговые стволовые клетки: лазервызывает стимуляцию пролиферации, дифференцировки, миграции, усиление синтезаспециализированного матрикса; (2) Резидентные зрелые клетки (хондроциты): лазервызывает активацию синтеза специализированного матрикса; и, возможно, частичнуюдедифференцировку (возвращает способность к делению); (3) Матрикс: лазер вызываетфизико-химическую модификацию матрикса и создает «идеальное» микроокружение дляклеток (запуск реакций пролиферации, миграции, дифференцировки, дедифференцировки,синтеза нового матрикса).Методы лазерного воздействия в сочетании с теорией теплопроводности итермоупругости позволили описать основные принципы лазерного наплавлениятрехкомпонентной среды для моделирования процесса создания матрично-гелиевогобиочипа путем лазерного облучения слоя полимерных микрочастиц, с чувствительнымэлементом внутри, нанесенных на стеклянную подложку.

Теоретически определены границыдопустимых диапазонов и оптимальные значения лазерных параметров, при которыхпроисходит наплавление полимерной оболочки без повреждения чувствительных элементовдиагностической матрицы.157Построенная теоретическая модель позволила выбрать параметры лазерногооблучения близкие к оптимальным (длина волны лазерного излучения 532 нм, мощность 40мВт, время 10 мс, излучение на облучаемой поверхности сфокусировано в 6 мкм) ипроизвести лазерное облучение для получения большой плотности наплавки.Уменьшение расстояния между каплями ограничено не только диаметром зонынаплавки, но и расстоянием распространения тепла, которое зависит от длительностиимпульса и от коэффициента теплопроводности полимерной матрицы, содержащейнаночастицы графита.Таким образом, теоретическое моделирование различных процессов повреждениячувствительных элементов чипа позволило определить область допустимых режимовлазерного воздействия.

Показано, что для увеличения плотности наплавленных элементовцелесообразно уменьшать диаметр лазерного пятна и длительность лазерного импульса доопределенных пределов: при лазерных импульсах менее 4 мс термомеханическоеповреждение происходит при меньших лазерных интенсивностях, чем требуются дляплавления системы; при диаметрах лазерного пятна менее 6 мкм минимальный размернаплавленной области определяется в значительной степени процессами распространениятепла и термопластичности материала. Для рассматриваемой системы минимальновозможное расстояние между наплавленными каплями составляет примерно 20 мкм, чтопозволяет обеспечить плотность элементов до 250000 на 1см2.158Глава 6. Воздействие лазерного излучения на ткани глазаВ данной главе рассмотрены принципиально новые подходы к решению социальнозначимой проблемы ухудшения зрения.

Характеристики

Список файлов диссертации