金属飞溅粉尘产生的原因及防范措施

极片切割过程中，金属产生飞溅，Cu和Al金属能在5～100 ps内就达到内部热平衡，所以在脉宽100 ns的激光作用下，金属内部的熔化、汽化、等离子化反应将持续进行；当激光能量超过4000 J/m2时，Cu表面就发生热力学分解和汽化，温度达到5000 ℃，并在激光照射仅10 ps开始，就表现出剧烈的相变爆炸和材料断裂，金属蒸汽、熔融液体通过爆炸作用快速飞溅出来。在极限情况下，假设一个光斑范围内的金属箔材全部熔融并飞溅出来，在表面张力的作用下，全部融合成一个球体，此时熔珠的尺寸可由下式计算：

由式（2-16）可推出R3=3/4hr2。铜熔珠R=10.7μm；铝熔珠R=14.7μm。在极限情况下，最大铜熔珠直径约20μm，最大铝熔珠直径约30μm。

如图2-13所示，Cu金属熔珠尺寸由于剧烈的相变爆炸、材料断裂、汽化等作用，飞溅出来的金属熔珠的尺寸必然小于理论极限值；实际测试发现，金属熔珠尺寸绝大多数小于10μm；若全部为10μm 熔珠，数量约8个；若全部为5μm 熔珠，数量约64个；若全部为1μm 熔珠，数量约8000个。(www.xing528.com)

图2-13　Cu金属熔珠尺寸

查手册可知，Cu 室温下吉布斯自由能为-9.87 kJ/mol；汽化前为-215.63 kJ/mol；吉布斯自由能差为205.76 kJ/mol；光斑面积内Cu摩尔量为n=ρV/M=8.9×10-3×4.2×10-6/64=0.584×10-9mol；由于Cu箔升温熔化消耗的激光能量为0.12 mJ。假设0.5 mJ激光能量全部被吸收，产生汽化和爆炸，0.38 mJ的能量全部转化为熔珠飞溅的动能。

无论颗粒分解为多少尺寸，飞溅平均速度为4500 m/s；与部分文献中描述的超过1000 m/s的金属蒸汽喷发速度在同一数量级。金属熔化深度与激光能量密度有较大的关联，Cu箔对于1064 nm 激光的吸收率约为2%；Al箔吸收率约为5%。根据能量守恒推算，金属溶液喷射初速度约800 m/s。