低功率超声空化

低功率超声空化（共4篇）

低功率超声空化 篇1

0引言

超声技术按其应用大体可分为两类:功率超声和检测超声。功率超声作为超声学的一个重要分支, 已经广泛应用于超声清洗、超声焊接、超声加工、超声马达等领域。在除油、防锈、磷化等清洗过程中, 超声清洗只需两三分钟即可完成, 其速度比传统清洗方法提高了几十倍, 且清洁度很高[1,2]。

超声清洗主要利用在声场作用下存在于液体中的微气泡会产生高频振动的超声空化作用。凡是液体能浸到且声场存在的地方都可应用超声清洗, 其尤其适用于表面形状复杂的零件。采用这一技术后, 可减少化学溶剂的用量, 从而大大减少环境污染。超声波清洗机是目前在清洗领域性价比最高的设备[3]。超声波电源作为超声波清洗机的核心单元, 是一种用于产生并向超声波换能器提供超声能量, 使之工作于谐振频率的装置。

超声波发生器产生高频高压, 通过电缆传输给换能器, 换能器与振动板产生高频共振, 从而使超声波清洗机清洗槽中的介质受超声波作用对污垢进行洗净。采用单片机控制开发超声波电源, 能够实现超声波清洗机的通用化、低成本, 并加快开发速度。

1超声波电源设计方案

超声波电源包括超声波主电路 (超声波发生电路) 、超声波辅助电路、单片机控制的超声波控制电路。超声波电源的作用是将电网工频50Hz的交流电转变成上万赫兹超声频率的振荡电流, 并通过匹配网络传递给换能器。超声振动系统将它的交流电能转变成同频的超声振动机械能, 经过换能器放大传递给清洗槽负载做功。现有的超声波电源大多采用逆变型功率放大电路, 它一般由交流电输入、AC/DC整流电路、DC/AC逆变电路、匹配电路、高频变压器、控制保护电路及换能器等组成。

采用AT89C51单片机的超声波电源组成如图1所示。由图1可知, 超声波电源工作时, 工频交流电经AC/DC变成平滑的直流电, 再经DC/AC逆变成交流电, 并通过高频功率变压器对电压进行升压和电气隔离, 经过匹配电路将高频交流电压信号输出至换能器, 激励换能器谐振, 产生超声波振动。

为了保证超声波电源工作的可靠性, 需对主电路的功率器件做一些硬件保护。同时, MCU (主控制器) 还可以实时检测故障信号, 对主电路进行软件保护, 以实现系统免维护的性能。

2超声波电源硬件设计

超声波电源主电路图如图2所示。

从图2可以看出, 220V、50Hz的交流电经过整流桥, 通过电容C1、C2的滤波, 得到较为平滑的直流电, 该电压加在VT1和VT2组成的逆变电路上, 高频脉冲电压为半桥电路的输出。调谐匹配电感L1和高频变压器T1组成匹配网络, 经过匹配网络的调谐以及阻抗变换之后, 输出给换能器。本系统MOSFET管VT1和VT2型号为J13009-2, UN=500V, IN=20A;整流桥由4个IN4007二极管组成。

2.1逆变单元

逆变单元是超声波电源功率主电路的核心单元, 担负着输出高频脉冲电压的任务。高频交流电的产生和频率输出调整都是通过逆变器来完成的。常用的逆变器主电路有单相半桥逆变电路、单相全桥逆变电路。

本文设计的超声波电源输出功率为300W、40kHz, 属于小功率。由于全桥逆变电路使用的开关元器件较多, 驱动电路较为复杂, 相对半桥电路而言, 其系统的可靠性较低。半桥式逆变电路具有开关器件少、抗电压不平衡力强等优点, 综合比较后选用单相半桥逆变电路, 如图3所示。

图中, 电容C1和C2上的电压相等, 而且等于输入电源电压Ud的1/2。当VT1导通时, 电容C1两端电压便通过VT1加载到T1原边绕组的两端。此时, 电容C1两端电压和变压器T1原边绕组两端电压相等, 都等于Ud/2, 变压器输出为正。当VT1截止、VT2导通时, 电容C2两端电压通过VT2加载到T1原边绕组的两端, 使原边绕组两端电压值等于-Ud/2, 且极性反向。因此, VT1、VT2轮流截止和导通时, 在高频变压器原边绕组两端产生的交流电压幅值为Ud/2。半桥逆变电路中高频变压器原边绕组上的电压与电容C1、C2两端的电压相等, 当C1或C2向变压器原边放电时, 如果VT1和VT2的开关频率不高, C1或C2放电时间较长的情况下, 电容两端电压会逐渐降低, 从而使电压的输出端曲线顶部呈倾斜状脉冲。同时, 该电路输出的交流电压幅值为Ud/2, 对电能的利用率高。因此, 此种逆变电路适用于功率需求不大且输出电压频率较高的场合。

2.2功率控制电路

不同的清洗负载需要不同的超声功率, 因此要对超声波电源的输出功率进行调节。调节可分为无级调功和有级调功两种。当超声波电源的输出功率不需要连续可调时, 为了简化设计, 可以采用有级调节功率的方式对电源的输出功率进行调节。

实验中所使用的为1000V耐压换能器。压电陶瓷谐振时, 只要改变其两端的电压幅值即可调节电源输出功率。在主电路逆变单元的输出环节中, 串联一个较高变比的高频变压器, 用来升压和隔离换能器两端电压。为了减小主电路设计难度、提高系统可靠性, 超声波电源的功率输出采用有级调节的方式, 为200V、300V两档可调。为了得到这两档的电压信号, 可以通过整流变压器或高频变压器来实现调压。直接通过开关器件选择高频变压器二次边不同匝数线圈抽头, 得到不同的提供给负载的电压幅值, 来达到调节功率的目的。

2.3整流滤波稳压电路

本文采用Multisim10.0软件设计电路, 并对设计的电路进行仿真。整流滤波稳压电路如图4所示。

图4中, T1为互感器, 作用是过滤掉超声波回路中的杂波, 同时防止电网被污染。T2为变压器, 作用是变压, 将220V转化成较低的交流电压。电压通过整流桥整成带有脉动的直流电, 通过C5的滤波、7805芯片的稳压, 变成平稳的5V直流电, 为超声波控制电路供电。

2.4驱动电路

驱动电路的形式有直接驱动、脉冲变压器隔离驱动、光偶隔离驱动3种。本文采用光偶驱动, 如图5所示。

驱动电路向MOSFET栅极提供所需要的栅荷, 以保证器件的开关性能、主电路与控制电路的隔离。光偶隔离最典型的应用是对光偶芯片进行隔离, 具有体积小、结构简单的优点。本文选用MOC223型光偶芯片实现控制电路与功率主电路的隔离。MOC223是输入阻抗高线性光偶芯片, 驱动功率小, 开关速度大, 适合做一些连续变化的数据的隔离与传输, 适合应用于小功率超声波电源。

2.5控制电路

单片机控制电路的主要功能是控制温度、超声波电源工作时间, 启动与停止加热驱动电路, 复位控制以及其他保护电路控制。主控制器采用AT89C51单片机。按键电路由4个按键组成, 分别完成对温度、超声波电源启动时间和复位的设置。

3实验

根据本超声波电源的参数要求, 设计清洗机控制界面。控制界面由4组LED高清数码管组成, 分别显示设置温度、实际温度、超声波清洗时间 (s) 、超声波清洗时间 (s) 。其中, 两组上下箭头表示温度的增减 (每次增减1℃) 和超声工作时间的增减 (每次增减5min) 。

温度最高设置为80℃, 由温度传感器控制。当温度传感器测得实际温度小于设定温度时, 加热膜不工作;反之, 加热膜开始加热, 直到达到设定温度为止。超声控制时间设置:按键每按一次时间加5min, 最大时间设定为30min。可以在工作的过程中实现时间的调节, 即时间的增加或减少。

在超声波电源的焊接以及调试实验中, 需要用到的设备有LCR数字电桥、数字示波器、功率计、恒温电烙铁。实验平台包括清洗槽、振子、加热膜、超声波电源、超声波电源控制器。焊接后的电路板用示波器、功率计、电桥等设备进行测试。研制的超声波电源用示波器测试波形输出情况, 如图6、图7所示。示波器表笔选择100×1档, 采样电阻采用0.1Ω, 将采样电阻串联, 示波器探头夹在其两端, 测量出来的超声波波形频率为38.7kHz, 基本满足40kHz的设计要求。

图6结果显示仍有杂波, 瞬时频率很高, 达150kHz, 电路中的电感元件、电容元件仍有干扰存在, 有待在今后的工作中继续改进。以超声波电源为主体的超声波清洗机作为实验装置, 以眼镜为实验对象进行清洗, 清洗前后眼镜外观有了明显的改观。超声波清洗机清洗眼镜温度设定在40℃, 实验水槽5L, 添加2mL医用多酶强效清洗液。清洗实验前, 可以清晰地看到眼镜有较多的油污、汗渍、灰尘, 如图8所示。将眼镜放入超声波清洗机清洗槽中, 设置条件为:清洗时间5min, 清洗温度36.3℃, 清洗槽容量5L, 清洗液 (水) 3L, 加热膜功率200W。清洗过程中不对清洗物体———眼镜进行任何操作。

图9为眼镜清洗完毕后未经擦拭图。清洗5min后, 用镊子将眼镜取出。镜片有部分水珠附着在上面。镜片及镜架上原有的油污、汗渍、灰尘已经被洗掉, 镜架螺丝连接处的油污去除干净。用镜片擦拭纸对眼镜进行擦拭后进行眼镜清洗前后对比, 结果为:眼镜的清晰度大大增加, 镜片及镜架的油污等杂质明显去除, 效果分明。超声波电源发热测量最高温度为51℃, 属于可控范围。

4结语

本文提出了基于单片机控制的超声波电源设计方案, 成本低, 市场竞争力强。实验表明, 本电源低谐波, 清洗效果好, 发热量在可控范围内, 延长了电源的整体寿命。此设计方法可以为超声波技术的后续研究与产品化提供借鉴。

参考文献

[1]孟令东.装甲装备器材自动化保养设备集成设计与工艺性能试验研究[D].北京:装甲兵工程学院, 2006

[2]黄凯.基于神经网络的动态匹配超声波铸造电源的研究[D].长沙:中南大学, 2011

[3]齐延兴, 杨雪银.基于SPACE061A单片机的超声波清洗机设计[J].中国测试, 2009 (4)

超声空化微射流建模与仿真 篇2

功率超声珩磨是在普通珩磨中施加超声振动的一种精密加工方法,具有珩磨力小、珩磨温度低、加工效率高及表面质量好等优点,在汽车及坦克发动机缸套加工中广泛应用[1]。在超声珩磨过程中,为了冷却及润滑,需要注入大量切削液,在超声声压的作用下,切削液中会发生空化现象,产生的空泡会在超声波的作用下历经生长、膨胀、压缩、崩溃等一系列行为。Kornfeld等[2]认为,当空泡受压力梯度作用或在边壁附近溃灭时,空泡变形为扁平形或元宝形,最后分裂、溃灭,并在溃灭前的瞬间,产生一束直径几微米的微型射流冲向壁面。高速的微射流冲击会对工件壁面的微观形貌产生影响[3],如造成微小凹坑乃至材料去除,微射流的冲击行为有利于功率超声珩磨加工过程中材料的去除,提高加工效率。目前,有关功率超声珩磨中空化微射流对壁面作用的研究文献较少, 人们迫切需要了解微射流对壁面作用的微观机理,对此进行研究,对深入了解超声珩磨磨削机理具有很高的现实及理论意义。

空化微射流冲击壁面的现象是一种强非线性流(液)固耦合现象,同时也是一类液固撞击问题, 相似现象还有蒸汽轮机叶片上的水滴撞击、高速雨滴冲击飞行器表面、水射流切割以及水下爆炸产生的射流对舰船底板的冲击等。Cook[4]基于汽轮机叶片的水蚀防护问题,最早研究了液固高速撞击现象,并引入了“水锤压力”来解释液固高速撞击瞬间产生的高 压。Barber等[5]考虑液体 的可压缩性,运用液-固冲击模型详细描述了射流冲击固体的全过程。随后,Obara等[6]进行了射流冲击实验,用高速摄像机观察到了液体中的冲击波、释放波以及空化云,其研究结果证实了高速液固撞击中液体压缩性的重要性。上述研究基本假定固体为刚性板,研究重点在液体区域。为探求高速液固撞击下材料表面损伤,谢永慧等[7]利用光滑粒子流体动力学和有限元耦合的方法,分别分析了有机玻璃及钢材在液滴撞击下材料内部应力应变的变化过程。为综合考虑液体和固壁面的相互作用,姚熊亮等[8]采用改进的双渐进法,分析了可压缩射流冲击板结构的流固耦合动力学, 并得到了水柱横截面积、水柱速度、板的材料等参数对冲击压力的影响。

综上所述,高速液体冲击固体表面作用明显。 本文在前人研究的基础上,分析超声珩磨中空化微射流对壁 面的作用,基于Abaqus/Explicit软件,运用耦合欧拉拉格朗日(CEL)方法模拟微射流冲击壁面的过程,并对壁面压力、壁面变形及损伤等进行仿真分析。

1空化微射流冲击的理论分析

1.1微射流冲击特性

功率超声珩磨中,由于工件壁面的存在,在壁面垂直方向上,远离壁面侧的空泡自由界面收缩较快,因此溃灭具有不对称性,经膨胀、压缩多次振荡后,在壁面附近,空泡从远离壁面一侧向空泡底部凹陷最终贯穿,同时产生微射流。微射流以较高速度冲击工件表面,冲击过程可看作两个典型的阶段:水锤压力阶段及滞止压力阶段。微射流撞击工件壁面瞬间速度急剧降低,并在接触面产生激波,激波分别以c和cs的速度向液体介质和壁面中传播,激波将液体区域划分为受扰动区域和未受扰动区域。 在受扰动区域中,由于微射流速度的瞬时降低会产生极高的压力,因此需要考虑液体可压缩性。 在激波离体之前,受扰动区域会表现出极高的压力,只持续极短的时间,这就是水锤压力阶段。随后,激波离体,由于受扰动区域内液体内压力远大于外界大气压,故液体会在高压下高速喷出,形成沿壁面的高速侧向射流,其速度大于微射流冲击速度。 之后,受扰动区域内压力降低至稳定的滞止压力,并持续相对较长时间,即滞止压力阶段。

微射流冲击示意如图1所示。假设以静止壁面为参考系,建立图1所示的坐标系,微射流以速度v0冲击工件壁面,由于考虑了壁面的弹塑性变形,受冲击的壁面将以速度vs沿相同方向变形并且在固体区域产生速度为cs的激波,则此时液体激波面后的液体质点速度为vs,产生的激波相对参考系的速度为c-v0,激波前后区域的液体总压力及密度分别为p1、ρ1和p2、ρ2。未受扰动区域液体密度可看作常温常压下的密度,即ρ1=ρ0, 在超声珩磨加工工况下,需考虑声压pa及珩磨压力pH,其中pa=pAsinωt,pA为声压幅值[9],则激波前后面的总压力分别为

式中,p01、p02分别为激波前后的水压,p01大小为一个标准大气压,即p01=p0。

液体内激波前后的连续方程和 动量方程 分别为

由式(2)可得

1.2壁面压力分析

在壁面一侧,假定固体内的激波速度可用固体中声速cs替代,同样可得出壁面上的撞击压力为p=ρscsvs,液固交界面处压力平衡,故p2=p, 可得壁面的变形速度:

其中,Γ 为液固声阻抗比,;c0为常温常压下液体中的声速。

由于考虑了液体的可压缩性,激波速度c还未知,定义冲击速度马赫数M0=v0/c0,有如下关系[10]:

式中,k为一个液体相关常量,对于水,k取2。

由式(3)~式(5),可得壁面峰值压力为

峰值压力可理解为前述水锤压力,持续时间tw极短,tw= d/2c ,d为微射流的直径,在水锤压力阶段之后,压力释放,侧向射流形成,进入滞止压力阶段,液体压缩性不再起主要作用,可忽略,滞止压力ps为

综上所述,得到了一维情况下空化微射流冲击壁面的峰值压力和滞止压力的公式。由于冲击过程比较复杂,还未能得出壁面压力时历变化及壁面变形的解析解,为进一步分析微射流冲击问题,对微射流冲击壁面的过程进行有限元模拟。

2空化微射流冲击的数值仿真

2.1冲击模型建立

对于空化微射流的冲击问题,很难由理论分析得到冲击压力随时间变化的解析解,并且在功率超声珩磨工况下,由空泡溃灭产生的微射流非常微小且不易观察,进行相关实验非常困难,会耗费大量的人力物力,故本文应用Abaqus有限元分析软件进行有限元模拟。Abaqus/Explicit提供了一种处理流固耦合问题的耦合欧拉拉格朗日 (CEL)方法。本文将壁面设置为拉格朗日网格, 将总体区域设置为欧拉网格,应用CEL方法,考虑外界声场及珩磨压场,建立微射流冲击壁面的模型,如图2所示。

2.2模型初始条件

在本模型中,忽略了液体黏性、重力及表面张力,考虑了液体的压缩性、壁面的弹塑性变形、外界声场及珩磨压场。先前相关学者估算微射流直径约为几微米[11],此处根据本课题组前期研究成果[9]及具体工况,合理假设微射流直径6μm,总长14μm,以300 m/s的速度冲 击30μm × 30μm×5μm的铝板,超声珩磨磨削液一般为煤油、水或乳化液,此处选水,其与壁面的摩擦系数设为0.1。由于微射流冲击时间远小于超声声压周期,故可认为在射流冲击过程中声压不变,模型初始参数见表1。

空化微射流冲击过程极短,可认为微射流冲击过程中外界条件不变。在珩磨液大环境下,冲击过程的热效应可忽略。为方便研究微射流冲击过程,由壁面中心点开始,向左每隔三个网格节点取一个点,依次为A、B、C、D,如图3所示。

2.3壁面压力数值仿真

图4所示为A、B、C三点壁面压力的时历曲线,可见,微射流冲击壁面的瞬间产生很高的压力 (水锤压力),持续极短时间,随后迅速降低并在相对较长时间内保持某一稳定值(滞止压力)。图5为不同时刻壁面压力分布图,可直观看出最大压力不在中心位置,而是出现在射流边缘附近。

为进一步分析冲击速度对冲击压力的影响, 对冲击速度为100~1000m/s的情况进 行了仿真,峰值压力 与滞止压 力的仿真 结果分别 同式 (6)、式(7)的理论结果比较,仿真结果与理论结果吻合,如图6、图7所示,且结果同其他学者研究结论[12]一致。

2.4壁面的变形

本研究中选取铝板作为壁面材料,有限元仿真中可明显看出壁面被冲出一个微小凹坑,并在边缘处有材料隆起,如图8所示。图9为不同时刻壁面变形曲线,壁面在微射流冲击下中心区域材料下陷形成凹坑,挤压材料至边缘形成隆起,并且凹坑最大深度出现在射流冲击边缘,这也说明了壁面最大压力出现在微射流冲击的边缘。由图9可看出凹坑深度大约为0.11μm,相对超声珩磨加工中的材料去除深度非常小,单次微射流冲击的作用几乎可以忽略。但是,一次微射流冲击作用时间极短,只有几十纳秒,而在整个超声珩磨加工过程中,会有数量极其庞大的微射流冲击到壁面上,此时,微射流对壁面的作用不可忽略。微射流冲击造成表面产生微小变形,并且侧向微射流的剪切作用有可能去除壁面的微小毛刺,有利于超声珩磨中材料的去除。

本文采用von Mises屈服准则,探求微射流冲击下壁面的损伤变形,图10显示了时间分别为1.0148 ns、3.0122 ns、5.0121 ns、10.011 ns、 20.024ns、50.000ns时壁面的等效应变,可看出等效应变很小,但大于零,说明材料发生了很微小的塑性变形;等效应变近似为环形分布,由中心以先增大后减小的趋势向外扩散;在10.011ns后, 材料等效应变不再明显变化,故材料变形主要发生在冲击前期。

图11为A、B、C、D四个点等效应力的时历曲线,可见在冲击过程中其最大等效应力都达到了75MPa左右,而选取的 铝板材料 屈服点为75MPa,故可认为材料产生了微小的塑性变形, 该塑性变形有利于超声珩磨加工中材料的去除。

3结论

(1)本文研究了超声珩磨中空化微射流对壁面的冲击作用,考虑冲击前期液体的可压缩性,建立了壁面峰值压力、滞止压力等公式。选取铝板为壁面材料,用Abaqus/Explicit中的CEL方法建立了微射流冲击壁面的有限元模型并进行了数值研究。

(2)空化微射流冲击至壁面瞬间产生极高的压力,随后迅速降低并趋于某一稳定值,峰值压力出现在射流冲击的边缘附近,并且峰值压力及滞止压力的仿真结果与理论结果相吻合,证实了结果的可靠性。

(3)壁面受到 微射流冲 击后产生 深度约为0.11μm的微小凹坑,并且凹坑边缘有材料隆起, 凹坑的最大深度也出现在射流冲击的边缘附近。

金属材料超声空化技术的应用研究 篇3

1 超声空化效应

“超声空化”是指当熔体或固-熔混合体中引入高能超声波后, 受交变声压的作用, 熔体在声波的负压相被拉裂, 形成近乎真空的空化泡。在超声场的作用下, 存在于熔体中的微小气泡振动、生长, 不断聚集声场能量, 当达到某个阈值时, 空化气泡急剧崩溃闭合。当声波的正压相来临时, 空化泡高速闭合、崩溃, 释放出声场能量, 在熔体极小的空间中将产生高达10-4atm的瞬时高压和可达104K的高温, 引起熔体或固-熔混合体的强烈扰动, 称之为“超声空化效应”。

2 超声空化在金属材料制备中的应用

2.1 凝固组织的细化和均匀化

2.1.1 晶粒的细化

“超声空化效应”可以使枝晶破碎, 从而增加核心数;空化高压可以引起熔体瞬间过冷, 从而提高了成核率。所以, 在凝固过程中施加超声处理能显著地细化对于几乎所有的合金晶粒。

2.1.2 化学成分和结构的均匀化

晶粒的细化、空化和声流可导致熔体中溶质元素的扩散及混合作用。在微观上看来, 合金元素的分布更加均匀, 大大减小了合金的微观偏析, 达到均匀化退火时间大大缩短的目的。例如:应用后, 杜拉铝退火时间从50~90h减少到0.7~1.5h;铝铜合金的退火时间也减少了98%以上。“超声空化效应”也能显著抑制铸件中的柱状晶区域, 从而增加等轴晶组织的比例, 促进铸件组织结构的更加均匀。“超声空化效应”的上述各作用使合金具有更好的耐蚀性, 屈服强度提高了10~30%, 极限强度提高了20~40%, 延伸率提高了20~40%, 铸件的热加工性能 (特别是可锻性) 也得到了一定程度的提高, 以前不可锻的钻合金、高硼钢、纯锌等也变得可锻。

2.2 改善固-熔界面的润湿性

2.2.1 改善锡-铝液之间的湿润性

由于铝合金表面有致密的氧化膜, 所以阻碍了锡液在铝合金表面的附着和铺展, 因此, 通常认为铝与锡液是不润湿的。将铝合金 (如板、丝等) 浸入通有超声波的锡熔池, 在空化高压下, 只需瞬间就能破坏其氧化膜, 使锡液与铝直接接触并润湿。此工艺目前已广泛应用于铝制散热器、电缆及电气元件的表面搪锡。

2.2.2 改善石墨锡-铝熔体之间的湿润性

不用超声时, 在同祥的温度下, 石墨与铝液几乎完全不能润湿。但当引入“超声空化”时, 在铝的熔点 (740℃) 附近, 超声处理能很好地清除石墨与铝熔体界面间形成的氧化膜, 从而实现石墨与铝熔体的润湿。

2.2.3 改善陶器-金属熔体之间的湿润性

“超声空化”可以清除陶瓷表面吸附的气体, 进而增大其表面能, 减小陶瓷-金属熔体之间的润湿角。所以, 借助于超声处理可以使各种碳化物、氮化物、金属氧化物等在瞬间被金属熔体良好润湿。这一成果为金属-陶瓷间的连接和复合材料的制备提供了简洁、有效的工艺手段。

2.3 制备金属基复合材料

2.3.1 连续纤维增强金属基复合材料的制备

传统制备金属基复合材料的工艺需要对纤维进行涂层等预处理, 使纤维-基体界面接合牢固, 将产生一定量具有破坏作用的反应物。但通过金属熔体中的超声空化区域后, 只在瞬间熔体就能很好地润湿并复合连续陶瓷纤维束中的每根纤维, 冷却后形成预制丝。然后在超声作用下, 将多股预制丝进行二次复合, 就可以得到连续纤维增强金属基复合材料。

2.3.2 颗粒增强金属基复合材料的制备

对于提高复合材料的强度和改善其韧性而言, 增强粒子的微细化具有重要意义。通常人们所用机械搅拌法只能弥散粒径一般不小于10μm的较粗的粒子, 且工艺复杂, 制备周期长, 基体中还会存在较严重的气孔、夹杂等缺陷。采用超声处理方法, 通过空化、声流的联合作用, 各种直径在5μm以下、甚至亚微米级的微细陶瓷粒子在数秒钟内就能在熔体中弥散分布, 其工艺简单, 还能获得致密的基体。

3 超声空化在电化学过程中的应用

3.1 化学沉积制备复合Cu/Al2O3粉体材料

3.1.1 抑制副产物Cu2O的形成

“超声空化”反映体系中存在很多高温、高压“微反应器”, 所以在使用化学沉积法制备复合Cu/Al2O3粉体材料中引入超声波, 可使水产生氢自由基H·和H2O2, H·和H2O2可将Cu+氧化为Cu2+, 抑制形成副产物Cu2O。

3.1.2 加速反应速度

超声会产生速度很快的微小射流, 这将有利于加速质量的传递, 使金属铜的生成反应加快, 还可以强化搅拌, 及时脱除反应过程中产生的氢气。

3.1.3 有效地改善镀层的质量

以往在非超声条件下生成的Al2O3颗粒表面铜层厚度不均匀, 有的部位铜层会呈断续状, 或出现少量颗粒无铜层的情况, 还会有游离金属出现。但“超声空化效应”会将正常发育的晶粒打断成为新的、更小的晶核, 有利于镀层晶粒变小并迅速而平缓地沉积在Al2O3颗粒的表面。所以, 在超声辐射下的化学镀铜能够有效改善镀层的质量, 获得晶粒度小、Cu与Al2O3颗粒界面粘结性好且厚度均匀的表面铜层。

3.2 超声波应用于镀镍、铬的过程

在电镀过程中, 超声波声空化作用可以连续清洁和激活电极表面, 最大程度的驱除聚集在电极上的气泡, 进而加速扩散, 满足离子更快的移动。超声波应用于电镀有两种方法:一种是将超声波直接引入电镀槽, 声空化作用可以增加沉积速率使电流密度增加8倍以上, 同时也能改善镀层粉末的晶向, 从而得到更光亮的镀层;另一种方法是将超声波加在阴极上, 镀铬时用低碳钢作阴极, 在阴极上加20k Hz的超声振动, 其微硬度增加了10%, 镀层晶粒将变细而且光亮。

3.3 超声波应用于有价金属的回收

一般来说, 由于金属离子浓度太低, 阳离子至阴极的移动速度 (反应控制步骤) 很慢, 所以目前人们采用电解沉积的方法处理废电解液、废电镀液及酸洗液等含有金属离子的稀溶液, 回收有价金属的电流效率就很低。但如果在电解槽中引入超声波, 其电流效率可以明显的提高。例如:在回收镀铜废液 (30g/L Cu SO4·5H2O, 150g/LH2SO4) 时, 当电流密度小于500Am-2时, 使用超声震动的效果不大, 但当电流密度处在500Am-2~800Am-2时, 电流效率就可提高12%~15%, 电流密度越大提高的幅度也就越大。通过实验证明, 当Cu SO4·5H2O浓度分别为40g/L, 20g/L, 10g/L, 4g/L时, 电流密度可分别由原来的55%, 48%, 28%, 3%提高到86%, 74%, 62%, 17%。以上实例就可说明“超声空化效应”能够明显的加速电荷移动速度, 提高反应速度, 减少浓度极化, 降低过电压, 从而提高电流效率。

4 结论

综上所述, “超声空化效应”在金属材料的制备工艺和性能改善及新材料的研制开发方面都发挥了重要的作用。我国未来的发展趋势是采用迢声物理、流体力学、凝固理论等多学科交叉的方法, 进一步控制和优化工艺参数, 制备出有实际应用价值的新型材料, 以使“超声空化效应”在高新技术及民用领域都获得更为广泛的应用。

参考文献

[1]丁东.声化学—新的学科领域[M].声学技术, 1992.

[2]柳伟, 郑玉贵, 姚治铭.金属材料的空蚀研究进展[J].中国腐蚀和防腐学报, 2001.

[3]马腾, 王振尧, 韩薇.铝和铝合金的大气腐蚀[J].腐蚀科学与防护技术, 2004.

[4]陈锋, 何德玶, 舒光冀.超声处理在金属及其复合材料制备中的应用[J].材料导报, 1994.

低功率超声空化 篇4

1 空化效应的物理机制

空化与声场声压、液体及其中的微泡等关系密切。微泡的初始半径在空化泡生长和溃灭过程中起重要作用[3]。微泡半径小于共振半径可以增强声空化效应, 单纯增加声场频率不一定能增强空化效果[4]。与声波共振气泡比较, 大空化泡难以溃灭, 为稳态空化泡;小空化泡易溃灭, 为瞬态空化泡[5]。空化泡在膨胀和压缩过程中, 无论半径大小, 泡外均可形成一个较小的低压球壳[6]。单个空化泡在刚性壁面 (“硬”边界) 附近溃灭, 在壁面形成较大的压强差[7]。以空化泡球心正对的壁面上的点为圆心形成一个较小的低压环, 该低压环形成冲击波[8]。微泡溃灭时, 在刚性壁面形成的低压环强度远远大于膨胀时在刚性壁面形成的低压环, 因此空化效应应该出现在空化泡崩溃时。温度越低[9]、频率越低、声压越大, 空化泡运动越剧烈;微泡崩溃瞬间, 泡内最高温度随气体比热比的增加呈线性增大, 最大压力随气体比热比的增大而减小[10]。

随着液体黏度增加、表面张力增大、微泡扩张受限, 微泡膨胀程度及泡内温度升高程度均降低[11]。降低环境温度, 选用单原子气体及提高声场声压等均可以增强空化效应[6,12]。由于表面张力的作用, 微气泡的形状几乎均呈球形, 外界对气泡做功和气泡体积变化呈线性关系, 与气泡半径无线性关系[13]。微泡运动具有明显的非线性特征, 表现为缓慢地膨胀和急剧地压缩, 在10 Pa量级超声的驱动下, 气泡的最大半径与最小半径之比可以达到10数量级, 体积压缩比为1000数量级[14], 因此超声空化泡具有很高的聚能能力。在压缩至最小半径前后, 空化泡内部有罕见的高温高压, 最高温度达数千开氏度、压力达数千帕[14]。低声压时, 微泡振动的振幅在很大程度上取决于微泡直径, 在共振频率振动时微泡振幅最大。如1 MHz超声, 水中游离微泡的振幅大约在7μm[15]。通常空化现象在低频时更明显。大泡沫或空气-水界面仅作为超声波的反射平面。增加气泡数量可以增加空化效果;作为空化活动的一部分, 空化泡崩溃时, 产热发光, 产生自由基、冲击波, 可以引起二次生物效应。

2 空化效应的观研究

高速显微摄影观察微泡在离体大鼠肠系膜微血管中的活动条件为:一个超声脉冲, 频率1 MHz、峰值负压11 MPa。微气泡振荡, 在极短时间 (μs) 内膨胀、内陷、最后破裂, 附近微血管受微泡活动的影响也发生一系列改变:在声辐射压作用下, 微泡与血管壁接触, 微泡膨胀, 血管扩张;微泡崩溃, 血管收缩;且收缩幅度明显大于初始的扩张幅度[16]。在11MPa的声压作用下, 微泡膨胀, 附近直径17μm的微血管受到影响, 扩张到1.7倍时, 微泡破裂, 血管收缩, 最终至初始直径的0.4倍, 微泡崩溃产生的子微泡重复上述现象, 微血管扩张、收缩, 最终可能破裂[16]。然而, 若微血管直径过大, 微泡膨胀后, 与血管壁无接触, 则无上述现象。Brujan等[17]认为, 大量微泡膨胀时, 血管壁随之向外扩张, 血管壁弹性界面存储了一定的能量;当微泡在声压作用下内陷破裂时, 血管壁弹性界面随之向内收缩;血管壁回缩产生短暂的压力梯度, 压力梯度垂直于血管壁, 当压力梯度足够大时, 则产生微射流, 其作用于血管内的微泡, 产生生物学效应。

Chen等[18]使用高速显微摄影研究离体大鼠肠系膜微血管中单个微气泡运动的动态变化。研究条件是一个超声脉冲波, 2μs, 频率1 MHz, 负压峰值为0.8~4 MPa, 微血管直径为10~80μm。微泡灌注进入鼠肠系膜组织血管, 外加超声辐照, 微泡在超声激励下振荡, 发生膨胀、塌陷, 同时肠系膜血管壁也相应发生变形。Chen等[18]研究发现, 多数情况下, 血管壁内陷程度大于开始时的血管膨胀程度, 尖锐、缺口状内陷形状表明血管壁受到较大机械应力, 微泡不对称塌陷, 形成液体射流, 可穿透微泡;血管壁在极短时间内发生上述改变, 其内陷时间为1.5~2.5μs, 速度可达9 m/s。微泡破裂后消失, 超声波脉冲逐渐远去, 血管壁达到最大的内陷程度后, 在微秒时间内血管壁又回到最初的形状。声压越大, 微泡的激励振荡越大:当声压从52 k Pa增加13倍达680 k Pa时, 微泡最大半径增加2.5倍, 最大剪切力增加15.7倍[19]。血管内径与微泡直径之比越低, 剪切力越大;微泡直径越接近血管直径, 对血管壁作用力越大;而当血管直径远大于微泡直径, 微泡远离血管中心时, 激励振荡, 形成蘑菇形状, 只能对附近血管壁产生作用[19]。

3 空化效应的细胞作用

低频超声辐照细胞的空化效应主要利用非热机制。非热机制出现在生物效应的任何过程, 无明显热效应 (<生理温度±1°) [20]。

微泡空化可以诱发单细胞死亡或瞬态膜通透性增加 (声孔效应) , 摄取DNA及大分子物质增多[21]。声孔效应最初是在20 k Hz超声的实验研究中发现的, 20 k Hz超声辐照哺乳动物细胞, 40%的细胞恢复正常, 10%的细胞内出现荧光右旋葡聚糖分子[22]。此后研究发现鼠骨髓细胞、成纤维细胞经超声辐照后, 荧光葡聚糖吸收率也明显增加[23]。

Johannes等[24]研究显示, 培养液中存在内切酶, 20 k Hz超声作用于细胞后, 20%的细胞出现染色体畸变;无超声作用的细胞内部几乎无染色体畸变, 表明该酶通过声孔效应进入细胞。此外, 低频超声用于DNA转染细胞, 如超声辐照鼠成纤维细胞, 可以增加细胞质粒转染。低频超声可以利用空化效应增加细胞通透性, 提高转染率, 通常需加入外源性空化核, 如超声造影剂。

4 空化效应的体内研究

基因载体与超声造影剂混合后, 经静脉注射, 同时超声辐照, 结果造影剂破裂, 产生空化效应, 局部毛细血管破裂, 基因载体向血管外特异性组织或靶细胞靶向发送DNA, 可以大大减少全身应用基因转染的副作用[25]。

开发可以识别、黏附特异性组织的智能造影剂, 不仅可以提高空间分辨率, 而且可以提供一个可靶向发送遗传物质的类似的邮编地址[15]。低频超声可以引起脂肪减少、组织结构改变及诱导细胞凋亡。组织学改变包括脂肪结构变化、胶原纤维破坏。扫描电镜显示, 脂肪细胞损伤增多, 三酰甘油、胆固醇增加, 细胞凋亡, DNA碎片形成, procaspase-9下调, caspase-3活性增加[26]。低频超声 (20~150 k Hz) 可以用于跨皮给药, 超声空化作用可以导致皮肤角质层缺损, 渗透性增加, 局部药物分子吸收加速[27]。咖啡因是亲水性药物, Boucaud等[28]采用20 k Hz, 占空比10%, 空间平均时间声强 (SATA) 2.5 W/cm2的超声辐照皮肤, 结果显示, 咖啡因渗透人体皮肤增加3.73倍。采用连续波40 k Hz, SATA强度0.44 W/cm2超声辐照, 裸鼠皮肤咖啡因通量增加13.81倍, 未见局部皮温升高;20 k Hz超声, 占空比10%, SATA强度0.37W/cm2, 作用时间5 min, 咖啡因吸收量几乎增加4倍。超声辐照同时给药的效果优于先超声辐照后给药的方式。声空化不仅产生角质层缺陷, 同时形成继发性二次微射流, 进一步加快通过这些缺陷部位的药物量。角质层具有弹性, 超声停止后, 一些空化激发形成的微孔也关闭[29]。

低频超声辐照肿瘤可以破坏肿瘤脆弱的血管[30,31,32]。研究显示, C3HV/He N小鼠皮下接种K1735 (22) 黑色素瘤, 尾静脉团注微泡0.1 ml超声造影剂Optison, 采用1 MHz、2.28W/cm2连续波超声辐照肿瘤, 作用时间1~3 min[30]。超声造影表明, 治疗前肿瘤内部存在血流灌注, 治疗3 min后, 肿瘤灌注缺损区面积达82% (P<0.001) ;线性回归分析结果显示, 超声治疗1 min, 肿瘤血管减少25%, 抗血管作用可持续24 h。肿瘤治疗1周后, 与对照组比较, 治疗组肿瘤生长明显受抑[30]。超声辐照区肿瘤血管充血、血栓形成, 血管壁破坏、肿瘤细胞死亡。肿瘤细胞破坏、死亡可能继发于肿瘤缺血。治疗后瘤区新生血管破坏, 但瘤周正常组织的血管未受影响, 正常组织的血管神经也未受破坏[30]。Bunte等[31]研究发现, 低频超声辐照小鼠皮下肿瘤, 组织学表现显示, 急性期肿瘤毛细血管明显扩张, 细胞间质水肿, 组织液增多;慢性期瘤细胞出现液化性坏死[31]。双频超声联合也可以用于治疗肿瘤[32]。1 MHz和150 k Hz超声同时应用, 辐照BALB/c鼠乳腺癌肿瘤, 发现双频、低强超声 (空间峰值时间平均声强ISPTA<6 W/cm2) 化学反应速度大大加快, 肿瘤生长明显延缓[32]。总之, 静脉注射微泡造影剂, 然后超声辐照, 可以暂时减少肿瘤血流量;反复辐照, 肿瘤血供受抑制, 生长延缓。中等强度的超声联合微泡即可以抑制肿瘤生长。

5 空化效应的临床应用

张凤春等[33]采用低频 (50 k Hz) 、低功率 (0.5 W) 超声辐射微泡剂 (CO2) 治疗17例晚期实体瘤患者, 部分缓解4例, 疾病稳定6例, 进展7例, 1年总生存率为41.18% (7/17) , 2年总生存率为17.65% (3/17) 。研究发现, CO2微泡剂小部分可以通过肺循环到达靶组织, 提高局部组织的空化核含量, 低功率超声辐照微泡产生空化效应, 微血管壁、部分周围组织破碎, 激活内源或外源性凝血, 诱发毛细血管血栓, 切断作用区的血供, 无微泡剂区则少有血栓形成, 单纯微泡剂组未经超声辐射者组织基本完好[33]。低频超声联合微泡取得较好的临床效果, 患者生活质量、远期生存率得到提高。少数患者的治疗部位有针刺样麻木感、刺痛或轻度充血, 停止治疗后自行缓解, 未发生瘤外其他部位血栓、气泡栓塞等不良反应, 提示低频超声辐射微泡治疗肿瘤安全、有效[33]。