Например, Бобцов

ЛАЗЕРНОЕ ТЕКСТУРИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ МАТЕРИАЛОВ

ЛАЗЕРНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА МАТЕРИАЛЫ
УДК 535: 621.373.826:539
А. В. БЕЛИКОВ, А. Е. ПУШКАРЁВА, А. В. СКРИПНИК, Т. В. СТРУНИНА, К. В. ШАТИЛОВА
ЛАЗЕРНОЕ ТЕКСТУРИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ МАТЕРИАЛОВ
Предложен метод лазерного текстурирования поверхности твердого материала в целях повышения его адгезии к полимерам. Показано, что лазерное текстурирование способствует увеличению усилий на сдвиг практически в 3 раза.
Ключевые слова: YAG:Er-лазер, лазерное текстурирование, адгезия, эмаль, полимер.
Введение. Создание новых и совершенствование существующих методов соединения материалов крайне актуально для широкого круга технологий. Механическая прочность соединений определяется как степенью адгезии, так и площадью адгезионного контакта.
Различают несколько механизмов адгезии [1]. Согласно молекулярному (адсорбционному) механизму адгезия возникает под действием межмолекулярных вандерваальсовых сил и водородных связей. Для такой адгезии применимо известное правило сходства веществ по полярности, а именно: чем ближе по полярности адгезив и субстрат, тем более прочен контакт между ними. Электрическая теория связывает адгезию с возникновением двойного электрического слоя на границе раздела между адгезивом и субстратом. Отслаивание, как и раздвижение, обкладок конденсатора вызывает увеличение разности электрических потенциалов, что обусловливает прочность адгезионного контакта. Диффузионный механизм адгезии предусматривает взаимное проникновение молекул и атомов в поверхностные слои взаимодействующих фаз. Процесс диффузии приводит, можно сказать, к размыванию границы раздела фаз, взаимному их растворению в местах контакта. Отдельно выделяется механизм, обусловленный химическим взаимодействием при адгезии. В конкретных условиях может преобладать один из механизмов, чаще же механизм адгезии является смешанным.
В настоящей статье предлагается новый способ повышения механической прочности соединения материалов. Суть этого способа заключается в увеличении площади соприкосновения материалов адгезива и субстрата за счет создания с помощью лазерного излучения на поверхности твердого материала текстур, представляющих собой последовательность микродефектов. Теоретически показано, как прочность соединения при постоянной адгезии зависит от размера формируемых дефектов и расстояния между их центрами.
В ходе экспериментальных исследований были созданы текстуры на поверхности эмали. Для этого применялось излучение YAG:Er-лазера, работающего в режиме основной поперечной моды. В качестве адгезива использовался светополимеризующийся стоматологический пломбировочный материал. Прочность сформированного соединения измерялась в условиях, когда прикладываются усилия на сдвиг [2, 3].
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4

Лазерное текстурирование поверхностей материалов

53

Описание метода. Работа адгезии Wa , характеризующая прочность адгезионной связи,

определяется работой обратимого разрыва адгезионной связи, отнесенной к единице площа-

ди. Полная работа адгезии W , приходящаяся на всю площадь S контакта тел, равна

W =Wa S . Отношение полной работы адгезии в случае модифицированной поверхности (Ws1 )

к полной работе адгезии в случае гладкой поверхности (Ws ) выражается уравнением

Ws1 Ws

=

S1 S

,

(1)

где S1 — площадь модифицированной (текстурированной) поверхности.

Гладкая поверхность имеет форму квадрата со стороной X (рис. 1, а).

а) б) D

dx XX

XX

Рис. 1
Текстурированную поверхность можно представить в виде суперпозиции гладкой поверхности и поверхности с микродефектами, представляющими собой полусферы диаметром D , расстояние между центрами которых равно dx (рис. 1, б). Площадь такой поверхности

S1 = Ssph + S0 ,

здесь Ssph — площадь поверхностей всех полусфер, S0 — площадь оставшейся ровной по-

верхности; величина Ssph = Ssphi ⋅ N , где Ssphi = 0,5πD2 — площадь поверхности одной полу-

сферы, N — их количество. Максимальное количество полусфер, которое можно без перекрытия разместить на поверхности, имеющей форму квадрата, равно

Nmax

=

⎛ ⎜⎝

X dx

⎞2 ⎟⎠

.

Таким образом, полная площадь модифицированной поверхности, при условии, что по-

лусферы не перекрываются, определяется как

S1

=

Ssph

+

S0

=

0,

5πD2

⎛ ⎝⎜

X dx

⎞2 ⎠⎟

+

X

2



0,

25πD2

⎛ ⎝⎜

X dx

⎞2 ⎠⎟

=

0,

25πD2

⎛ ⎝⎜

X dx

⎞2 ⎠⎟

+

X

2

.

В этом случае отношение полных работ адгезии для модифицированной и гладкой по-

верхностей характеризуется выражением

Ws1 Ws

=

S1 S

=

0,

25πD2

⎛ ⎝⎜

X dx

⎞2 ⎠⎟

X2

+

X

2

=

0, 25πD2 dx2

+1.

(2)

В эксперименте в качестве объекта исследования были использованы зубы человека

(принадлежащие людям возрастной категории 25—40 лет), удаленные по показаниям заболе-

ваний пародонта. Для поддержания естественных свойств образцы хранились в 0,1%-ном

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4

54 А. В. Беликов, А. Е. Пушкарёва, А. В. Скрипник и др.
водном растворе тимола при температуре около 4 °С не более двух недель в защищенном от света месте. Для создания микродефектов использовался одномодовый YAG:Er-лазер с длиной волны излучения 2,94 мкм, работающий в режиме свободной генерации. Энергия излучения в зоне обработки составила 1,0 мДж (±3,5 %), длительность лазерного импульса по полувысоте 100 мкс (±10 %). Воздействие проводилось в неконтактном режиме. Поверхность эмали коронки зуба позиционировалась в фокусе собирающей линзы с фокусным расстоянием 38,0±0,1 мм, зуб перемещался в двух взаимно ортогональных направлениях при помощи сканера в плоскости, перпендикулярной направлению оптической оси линзы.
Под действием одиночного лазерного импульса на поверхности эмали формировался микродефект диаметром D ≈100 мкм. Посредством смещения зуба в перерывах между лазерными импульсами на расстояние dx = 100 мкм формироваась текстура, представляющая собой квадрат со стороной Х = 2 мм. На поверхность, содержащую текстуру, наносился пломбировочный материал “Revolution” (фирмы “Kerr”, США), который полимеризовался с помощью потока света, создаваемого источником “Allegro™ Rembrandt®”, в течение 30 с. В качестве стандартной использовалась технология, при которой на гладкую поверхность эмали сначала наносится состав “Nano-Bond Self-Etch Primer”, затем адгезив “Nano-Bond Adhesive” и далее материал “Revolution” с последующей его полимеризацией.
Всего в ходе эксперимента было исследовано 10 образцов эмали, обработанных по стандартной методике, и 10 образцов эмали, подвергнутых лазерному текстурированию. В обоих случаях в объем материала “Revolution” помещались штифты из конструкционной стали, с помощью которых производилась фиксация образцов в устройстве РМУ-0,05-1, предназначенном для измерения разрывного усилия на сдвиг.
Результаты. На рис. 2 представлен график полученной из выражения (2) зависимости отношения полных работ адгезии от размеров и взаимного расположения микродефектов в текстуре. Как видно из графика, при фиксированном расстоянии между центрами микродефектов в текстуре адгезия тем выше, чем больше диаметр полусферы.
Ws1/Ws

1,6 dx=40 мкм 1,4 70

80 100

1,2

1,0 0

25 50 75 D, мкм

Рис. 2

Следует отметить, что при фиксированном размере ( X ) текстурированной поверхности

с уменьшением диаметра D полусфер возрастает количество микродефектов, что увеличива-

ет затраты лазерной энергии, необходимые для формирования текстуры.

Выбор диаметра микродефекта зависит от многих факторов. Непременным требованием

в ряде случаев является минимизация диаметра.

К недостаткам предложенной модели расчета отношения Ws1 Ws следует отнести то, что

при ее использовании не учитывается влияние на прочность соединения микрорельефа, возни-

кающего на поверхности микродефектов. Характерные размеры элементов этого рельефа могут

быть сопоставимы с размерами структурных элементов обрабатываемого материала [4], что

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4

Лазерное текстурирование поверхностей материалов

55

способствует увеличению адгезии не за счет механических эффектов, а вследствие межмоле-

кулярного взаимодействия.

Внешний вид текстур, сформированных лазерным излучением на поверхности зубной

эмали, продемонстрирован на рис. 3.

а) D≈100 мкм, dx=40 мкм

б) D≈100 мкм, dx=100 мкм

Рис. 3
На рис. 4 представлены результаты измерений прочности на сдвиг ( P ) соединений эмали зуба и пломбировочного материала “Revolution”, образованных в рамках применения стандартной технологии к химически модифицированной поверхности (I) и новой технологии к поверхности (II), содержащей текстуру, сформированную излучением YAG:Er-лазера при D ≈100 мкм и dx =100 мкм.
Р, МПа
20

15

10

5

0 I

II

Рис. 4
Рассмотренный в статье новый способ повышения механической прочности соединений материалов и подготовки поверхности перед нанесением на нее полимера демонстрирует, прежде всего, следующее: прочность соединения материала “Revolution” с поверхностью, содержащей сформированную лазерным излучением текстуру, практически в 3 раза выше, чем с немодифицированной поверхностью. В рамках предложенной геометрической модели текстуры показано, что увеличение адгезии только за счет механических эффектов способствует

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4

56 А. В. Беликов, А. Е. Пушкарёва, А. В. Скрипник и др.
ее росту лишь в 1,8 раза. Данное противоречие свидетельствует о существовании дополнительных механизмов повышения адгезии, к числу которых могут быть отнесены, например, механизмы, связанные с вовлечением сил межмолекулярного взаимодействия или с особенностями поверхности микродефектов, создаваемых лазерным излучением.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Берлин А. А., Басин В. Е. Основы адгезии полимеров. М.: Химия, 1974.

2. Gardner A. K., Staninec M., Fried D. The influence of surface roughness on the bond strength of composite to dental hard tissues after Er:YAG-laser irradiation // SPIE. 2005. Vol. 5687.

3. Le Ch. Q., Staninec M., Fried D. The influence of pulse duration on the bond strength of dentin to composite after Er:YAG-laser irradiation // SPIE. 2005. Vol. 5687.

4. Keller U., Hibst R. Experimental studies of the application of the Er:YAG-laser on dental hard substances: II. Light microscopic and SEM investigations // Lasers in Surgery and Medicine. 1989. Vol. 9. P. 9345—9351.

Андрей Вячеславович Беликов Александра Евгеньевна Пушкарёва Алексей Владимирович Скрипник Татьяна Валерьевна Струнина Ксения Владимировна Шатилова

Сведения об авторах — канд. физ.-мат. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный
университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики;
E−mail: meddv@grv.ifmo.ru — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный
университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; E-mail: alpushkareva@yandex.ru — канд. физ.-мат. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; E-mail: meddv@grv.ifmo.ru — Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; инженер; E-mail: struninatatiana@mail.ru — аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; E-mail: kshatilova@mail.ru

Рекомендована кафедрой лазерной техники и биомедицинской оптики

Поступила в редакцию 07.12.09 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 4