雾滴沉积均匀性（精选3篇）
雾滴沉积均匀性 篇1
0 前 言
电沉积是电镀、电铸等的基础,在生产中得到了广泛的应用。近年来,电铸用于微机械、航空航天、兵器、模具等已成为研究热点[1,2],其快速发展对电沉积技术提出了更高的要求。由于电沉积过程的内在特性,电沉积后会出现沉积分布不均匀的现象,而很多应用场合都要求电沉积必须均匀分布。因此,对电沉积均匀性的控制,是保证沉积层质量、使电沉积技术得到更好应用的关键之一。
1 电沉积分布均匀性的含义、范围
电沉积分布均匀性主要包括沉积层厚度、合金成分或复合物含量、微观组织结构(晶粒大小)的均匀性以及由此引起的材料性能的均匀性。
电沉积时,阴极的不同部位到阳极的距离不可能完全相同。设阴极上离阳极最近点的距离为l近,最远的点距离为l远,它们对应的电流密度分别为J近,J远,阴极电流分布[3]有如下关系:
undefined
式中 △l ——l远-l近
undefined——电解液的电导率(ρ为电解液的电阻率)
undefined——阴极极化率(即极化曲线的斜率)
可见,实际电沉积时阴极不同部位的沉积电流密度是不相等的,整个阴极上的电流密度分布是不均匀的。
根据法拉第定律,阴极上电沉积得到的金属量与沉积电流密度、金属在阴极上析出的电流效率成正比,因而电沉积金属的厚度主要取决于阴极电流密度,同时还与电流效率有关。另外,合金电沉积和复合电沉积中沉积电流密度分别对沉积层中的合金成分和复合物的含量有非常明显的影响;电沉积金属的晶粒大小与沉积电流密度有关,通常提高电流密度可以增加阴极过电位,细化沉积层的晶粒。
以上分析表明,沉积电流密度的不均匀会造成沉积分布的不均匀,电铸过程中金属电沉积要求达到较大的厚度,通常使沉积层本身能作为一个独立的零件,其沉积分布的均匀性比电镀中更为重要。
显然,要改善沉积分布的均匀性,最重要的途径是改善阴极电流密度分布的均匀性。由式(1)可知,要使J近,J远尽可能相等,Δl越小越好,或l近越大越好,阴极极化率△ϕ/△J越大越好,电解液电导率1/ρ越大越好。
2 改善电沉积分布均匀性的主要措施
2.1 合理选用阳极
电镀中电沉积的阴极为待镀件,电铸中电沉积的阴极为根据待铸件而设计的芯模。在阴极确定的情况下,阳极的形状、尺寸以及阳极相对于阴极的安放位置是决定阴极沉积分布的重要因素。
有关阳极尺寸、阳极与阴极极间距对沉积均匀性研究表明[4]:(1)在阳极尺寸小于或等于阴极尺寸的一定范围内,不使用辅助阴极时阳极尺寸小有助于得到好的沉积均匀性,使用辅助阴极时阳极尺寸大沉积均匀性好;(2)极间距较大或较小都使沉积均匀性变差,即存在对应于沉积均匀性好的最佳值,当阳极与阴极尺寸相同并采用辅助阴极时,如果极间距较小,则中央的沉积速度高于边缘,如果极间距较大,则结果相反,沉积均匀性都不好;(3)最佳极间距及对应的沉积均匀性与阳极的尺寸有关,阳极尺寸增大,最佳极间距减小,沉积均匀性增加,如果阳极的尺寸比阴极小很多,则极间距较小时电流从阳极流向阴极局部区域,只有当极间距很大时整个阴极上才有较均匀的电流。
在研究两平板电极间的电沉积时发现[5]:极间距一定时,阳极的尺寸稍小于阴极时得到的沉积分布均匀性好于两电极尺寸相同时的结果;对于折弯形阴极的电沉积,不同形状、尺寸和摆放位置的3种阳极对阴极沉积分布的均匀性有很大影响,说明复杂形状的阴极电沉积时要得到较好的均匀性,必须采用辅助阳极或象形阳极。
象形阳极是面向阴极一侧的形状与阴极沉积表面形状相近的一种成形阳极,能使阴极获得较为均匀的电流密度分布。具体应用象形阳极时可以采用不同的结构形式,一般为整体结构的象形阳极[6],也有组合式可溶性象形阳极[7],即先将选定的可溶性阳极材料拉制成正方形截面的棒料,然后截取不同的长度按照阴极沉积表面的形状进行组合,得到组合式象形阳极。组合式象形阳极中的组合棒可以进行局部调整,使阴极电流密度尽可能均匀地分布。当阴极品种变换后,可将组合棒重新排列而快速得到新的象形阳极。在电铸复杂回转体类零件时可采用带象形围栏的阳极框,使装入框内的阳极块按照象形围栏的形状而形成象形阳极,并且在电沉积过程中可溶性阳极块边溶解边沉降,能自动贴合象形围栏而始终保持正确的象形阳极轮廓形状[8]。
合理选用阳极是一种从根本上改善阴极电流分布均匀性的重要措施,不需要在电沉积槽中再增设其他结构。受极间电场分布规律的影响,采用简单形状的阳极而仅仅改变阳极的尺寸和安放位置很难获得均匀的阴极电流分布,采用象形阳极效果则较理想。当电沉积件形状复杂、沉积分布均匀性要求较高时,应尽量采用象形阳极。
2.2 阴阳极之间设置不导电屏蔽
设置不导电的屏蔽可以改变电极表面的电力线分布,使之均衡化。屏蔽影响了电解液中放电离子的电迁移,改变了屏蔽与阴极表面之间的溶液欧姆降。这些使阴极表面的电极电位发生变化,达到了均衡阴极表面电流密度分布的目的。
不使用屏蔽和使用2种不同结构的绝缘屏蔽板时平板阴极上的电流分布不同:采用屏蔽可以有效改善阴极上的电流分布,且屏蔽的位置、结构和尺寸对电流分布有重要的影响[9]。
针对复杂形状阴极上的电沉积研究了无屏蔽和多种屏蔽方式下阴极电流密度的分布情况[10],所用屏蔽方式为沿阴极轮廓不同部位分段屏蔽、设置单层屏蔽板或设置2层屏蔽板、屏蔽板上开不同直径和排列方式的孔、屏蔽板到阴极有不同的距离,其塑料屏蔽板具有一定的形状,使之与相应部位阴极的形状相适应。研究表明:没有屏蔽时阴极表面分布的电流密度差别很大,分布规律基本与阴极表面形状相似;采用屏蔽后可以明显地改变阴极表面的电流密度分布,其效果与屏蔽方式有关,如2层屏蔽的效果比单层屏蔽好得多,屏蔽板上开孔、屏蔽板的位置等对屏蔽效果有很大的影响,最后得到了较理想的屏蔽参数的组合。
对MEMS(微电子机械系统)微结构电沉积的研究表明,光刻胶的厚度和线宽对微结构沉积层厚度的均匀性有重要影响[11],其均匀性随光刻胶厚度的增加而明显增加,线宽取适当大小(临界线宽)时得到最佳的均匀性;不导电的光刻胶对阴极起到了屏蔽作用,反映了屏蔽参数对沉积分布均匀性的影响力。
采用屏蔽的方法改善沉积分布的均匀性,不需要对阴极和阳极作专门的调整,可以在原有的电沉积槽中设置屏蔽后采用简单的平板阳极,但对于复杂形状的阴极,屏蔽的设置及参数组合也相应变得复杂,有待进一步研究。
2.3 使用辅助阴极
通常电沉积过程存在边缘效应和尖端效应,实际的电沉积槽中即使是在与平板阳极平行放置的平板阴极上,边缘的电流密度通常也会大于中心部位,沉积层会呈中凹形状。采用辅助阴极则可以改善整个阴极表面电流密度和沉积分布的均匀性。
在平板阴极周围相隔一定距离的地方布置共面的辅助阴极,辅助阴极与阴极可以使用同一台电源从而有相同的电位,也可以使用单独的电源、公用一个阳极,从而能分别控制它们的电位和电流密度[4,12,13]。结果表明:采用辅助阴极后,阴极边缘的电流密度或沉积厚度减小,甚至可以小于中心部位;一定条件(如合适的辅助阴极尺寸和位置,合适的辅助阴极与阴极平均电流密度比)下,可在阴极的整个沉积表面上得到均匀的沉积电流密度。
片内辅助阴极可以改善微结构电沉积时阴极的电流密度分布和沉积厚度分布的均匀性。片内辅助阴极是根据阴极基片的实际情况,直接在基片上与阴极一起制版、光刻出来的,结果表明,辅助阴极离微结构(阴极)的距离越小、辅助阴极的尺寸越大,得到的均匀性越好[11]。
将象形框架形结构的辅助阴极平行放置在阴极前方并相距较小的距离(2.5 mm以下),与阴极采用同一台电源供电,公用一个阳极,且采用相同的电流密度,结果辅助阴极减小了电沉积区域边缘双电层的局部离子浓度,从而减小了边缘的沉积速度;试样电沉积边缘与中心厚度差异明显减小,而中心部位的电沉积速度并未降低[14,15]。
辅助阴极法主要是改变阴极边缘和角部等局部的电流分布,目前的研究与应用主要是针对阴极相对简单、规则的情况,对形状复杂的阴极来说辅助阴极的设置比较困难。
2.4 改善阴极结构及几何参数
电铸薄壁圆柱形零件时,为了改善电沉积层轴向厚度的均匀性,在芯模圆柱形的两端分别设置圆角并增加一段小直径圆柱段,结果表明[16]:加长前端小直径圆柱段可以改善沉积层厚度的均匀性;端部圆角半径小时对应的厚度均匀性好。可见,电铸芯模附加部分的结构和几何参数对有效沉积部位的沉积分布有一定的影响。
这一措施只需要在阴极的设计与制作时加以考虑即可,方便易行,但对整体沉积分布均匀性的改善效果有限。
2.5 合理选择和控制电解液成分
通常认为降低沉积金属离子的浓度可以改善沉积层的均匀性。用2种铜离子浓度的硫酸铜电解液电铸铜,结果铜离子浓度低的沉积层均匀性要好得多[16]。在电沉积镍铁合金微细齿轮时发现[17]:阴极上的电流密度分布不均匀,同时局部电解液搅拌的效果也很不均匀,使沉积层的铁含量分布不均匀;采用铁离子浓度低的电解液,可以降低沉积层成分分布对电解液搅拌和沉积电流密度变化的敏感性,得到成分分布比较均匀的电沉积层。
有的添加剂能增大阴极极化率,使阴极电流密度的分布得到改善:在电解液中加入不同的添加剂,对沉积层的均匀性有显著的影响[16];在对大深径比的微小通孔内壁电沉积铜时在电解液中添加合适的添加剂可以得到很好的沉积厚度均匀性[18]。
对电解液成分进行选择和控制简单易行,但无法从根本上消除阴极电流分布不均匀的问题。
2.6 对电解液进行合适的搅拌
通常,搅拌可以增加传质速度,使沉积离子得到均衡的补充,有利于在整个阴极表面形成均匀的沉积。搅拌速度低时,沉积均匀性随搅拌速度的增加而增加[4,19];当搅拌速度超过一定值后,传质速度不再增加,沉积均匀性也不再得到改善[4]。对大深径比的微小通孔内壁电沉积铜时,电解液在合适的搅拌速率下沉积厚度均匀性很好[18]。
如果由于沉积槽的结构、电极和搅拌装置布局等原因使得搅拌并不能改善阴极表面的传质条件,则不能改善沉积均匀性,甚至会使沉积均匀性变差[19]。可见,利用搅拌电解液来改善沉积分布的均匀性只能在一定条件下取得一定的效果。
2.7 选用合适的沉积电流波形
不同的沉积电流波形对电沉积层的质量有很大的影响。大深径比的微小通孔内壁电沉积铜时,脉冲电流和脉冲往复电流都对沉积层厚度均匀性有影响[20]:电解液不加添加剂时,采用脉冲电流和脉冲往复电流沉积均匀性比直流的好,且脉冲频率高时沉积均匀性比频率低时好;用脉冲电流时,脉冲间隔期间可以增强传质,有利于沉积离子的扩散,用脉冲往复电流时,反向电流使已沉积的金属发生溶解,降低了沉积厚度较大处的沉积速度,改善了正向电流沉积时各处金属离子浓度的均匀性。对于大深径比孔,直流、低频的脉冲电流和脉冲往复电流电沉积受沉积离子的扩散控制,而高频的脉冲电流和脉冲往复电流电沉积时改善了传质条件,速度控制步骤由扩散控制变为电化学控制,沉积分布的均匀性得到改善。
通过比较电沉积层截面形貌发现,脉冲往复电流电沉积镍钴合金的沉积厚度分布好于直流电沉积镍[21]。脉冲电流和2种不同波形的脉冲往复电流(正负间断脉冲、正间断负连续脉冲)对微器件电铸层均匀性的影响结果显示[22]:由于反向脉冲电流的溶解修整作用,两种波形的脉冲往复电流得到的沉积厚度均匀性相近且明显优于单向的脉冲电流。
采用脉冲电流电沉积除了可以改善沉积分布的均匀性,还可以有效地提高沉积层的性能,因而应用越来越多,但它同样不能从根本上消除阴极电流分布不均匀的问题。
3 改善电沉积分布均匀性的研究方法
3.1 改进霍尔槽
传统的霍尔槽用于控制电解液、电沉积层性质和获得最优电沉积参数。改进后的霍尔槽将传统的霍尔槽加长,并在阴极和阳极中间增加一块开槽的垂直壁(相当于屏蔽),对形状复杂零件的电铸有作用。随着开槽面积的减小,阴极上的沉积厚度分布均匀性得到提高[23]。
3.2 直接测量
采用线束电极直接测量阴极沉积电流的分布,可改善沉积分布均匀性的做法如下[19]:线束电极由平行埋置在环氧树脂中的100根相同的低碳钢丝组成,其截面为每边各排布10根钢丝的正方形。由于隔有很薄的一层环氧树脂而使每根钢丝之间相互绝缘,所有钢丝的一端都连接到电沉积电源的负极,另一端组成的平面即用来模拟阴极沉积表面。阳极为相对于线束电极平行放置在一侧的不溶性铂丝,铂丝上涂一层厚的环氧树脂,只留出下端部一小段未涂而能导电;以饱和甘汞电极为参比电极,测量每一根钢丝上的电流,得到阴极沉积表面上对应位置的电流,即可了解阴极表面的沉积电流分布。通过改变电沉积参数,可了解相关参数对电沉积层均匀性的影响。用这种测量技术可以明确描述沉积电流,了解和表征影响电沉积均匀性的因素,探索改善电沉积均匀性的可能方法。
3.3 数值计算
要实现各种形状的阴极上电流分布的均匀性,仅凭试验需要很大的工作量。因此,电流分布的数值计算成为了获得均匀电流分布的重要手段,所用方法包括有限差分法(FDM)、有限元法(FEM)和边界元法(BEM)等。
Masuku E S等[24]针对大小相同的两平行平板电极之间的电沉积,建立了二维和三维数值模型,对电沉积过程进行有限元仿真,并与实际电沉积试验结果作比较。仿真得到平板阴极上边缘的沉积厚度大于中心部位的,与实际轮廓吻合。三维模型的仿真结果与实际情况的一致性比二维模型好,可应用于一般电沉积方式的建模。
使用屏蔽改善阴极电流分布,建立电沉积的数学模型,并进行电流分布仿真计算,仿真结果与试验数据一致,了解了主要屏蔽参数对电流分布的影响规律后,可以为选择最佳的屏蔽设置提供依据[9]。
使用布置于阴极周围的辅助阴极改善阴极电流分布,建立电沉积过程相关的数学模型,用边界元法或有限元法计算阴极上的电流密度或沉积厚度分布,可以确定最优的辅助阴极参数及其他电沉积条件[4,12,13]。
采用象形阳极电铸复杂形状零件时,利用有限元软件ANSYS的电场分析和优化设计功能对象形阳极进行精确的轮廓形状设计,可使阴极电场(电流密度)分布的均匀性较大改善,得到了较好的沉积厚度和合金成分均匀性[25]。
采用ANSYS的电场分析功能对微细电铸进行二维模拟,计算阴极上的电流密度分布以及微结构的厚度均匀性,以此了解微结构单元尺寸和辅助阴极对电沉积均匀性的影响,为改善沉积均匀性提供依据[11]。
用ANSYS模拟和优化了两极间设置开孔屏蔽挡板的电沉积,得到了沉积厚度均匀性最优时的屏蔽参数,模拟分析的结果与试验结果有较好的一致性[26]。
数值计算法应用范围广,将会得到进一步的发展和应用。
4 结 语
阴极电流密度分布不均匀是造成阴极电沉积分布不均匀的主要因素。根据不同的电沉积条件和要求,研究了多种改善沉积分布均匀性的措施。不过,Tan Y J等[19]发现,将对电流分布均匀性有积极贡献的单一沉积条件组合起来,并不会得到所期望的综合效果。因此,实际应用时应充分认识各种措施的特点,根据具体的电沉积情况选择有效的措施,并确定相应的最优过程条件。
摘要：电沉积分布的均匀性涵盖了沉积层厚度、合金成分、微观结构(晶粒)及材料性能等多个方面,是电沉积技术应用中需要解决的重要问题。为此,简述了阴极电沉积分布的均匀性及形成原理,介绍了改善沉积分布均匀性可以采取的主要措施及其研究现状,总结了研究过程中所采用的几种方法。
关键词：电沉积,电流分布,均匀性,改善措施
雾滴沉积均匀性 篇2
农药静电喷雾技术是近年来发展起来的一项新的植保施药技术,具有雾滴尺寸均匀、沉积性能好、飘移损失小、雾群分布均匀,尤其是在植物叶片背面也能附着雾滴等优点［１］。20 世纪40 年代,美国一些大学针对农药粉剂进行了正式的试验研究,结果表明:在静电场作用下的农药药粉,在植物上的附着率显著提高［２］。在欧美,随着农药粉剂使用量的不断减少,静电施药技术研究也转向了液体农药［３］,如美国、英国和加拿大等国都先后对液体农药静电喷雾进行了深入研究,并促使其产业化［４］。这些国家的研究结果表明:静电喷雾的确明显提高了药液在喷洒目标表面特别是目标背面的覆盖率,减少了小雾滴的飘移,喷雾效果明显提高。20 世纪80 年代末,美国佐治亚大学的S.E.Law等专家首先将静电喷雾技术应用于液体农药的实际喷洒作业中,从而成功地研制了静电喷雾系统［５］。
我国静电喷雾技术的研究始于20 世纪70 年代末［６］。首先,对手持式静电喷雾器进行了研究,并在多种作物上进行了大量喷洒分布及防治效果实验［７］;但由于这些研究只是在设备和功能上进行研究,并没有对静电喷雾进行更深入的理论性研究,因此实验效果不佳,都没有得到推广应用。随后,江苏理工大学对静电场作用下的液滴雾化展开了较为系统的研究,认为静电作用可以降低液体表面张力,减小雾化阻力,同时同性电荷间的排斥作用产生与表面张力相反的附加内外压力差,从而提高雾化程度［８］。进入到20世纪90年代后,以郑加强为代表的一些学者做了大量的研究,研究方向主要针对荷电过程、作业参数及喷雾效果试验方面的研究［９］,这些研究中所采用的静电喷头的电极结构大致相同［１０］;而传统的圆柱形电极应用圆锥雾型喷头时,由于电极内壁与喷雾边缘的距离逐渐减小,很容易在感应环末端造成积液,影响荷电效果［１１］。目前,针对其他形式的电极对荷电性能影响情况的研究较少。
为此,本文根据圆锥雾型喷头的喷雾特点,设计了一种管状空心圆锥型的充电电极,通过对搭载该充电电极的喷头进行喷雾性能试验研究,以期解决传统充电电极存在的问题,提高静电喷头的荷电性能,为实际作业过程中提高雾滴的沉积效果提供参考。
1 感应充电电极的设计
1.1 电极形状的设计
常规的圆柱充电电极环内部的雾型是呈锥形扩散的,所以在充电电极环内部,随着喷雾距离的增加,喷嘴雾化范围随之增大;而圆柱形感应环内径尺寸是固定不变的,会导致雾滴很容易喷到充电电极环内壁上而引起放电,影响雾化效果,且不利于系统安全运行［１２］。为了避免随雾化范围扩大后将雾滴喷到电极环内壁,只能增大圆柱型充电电极环的直径;但在感应荷电范围内,充电电极环直径增加,电极环同喷雾圆锥雾型边缘的距离也随之增加,电场对区域内雾滴的充电效果随之下降。
针对以上问题,本研究采用不锈钢材质设计了管式空心圆锥型电极。根据喷头的喷雾角度,将圆锥形电极开口角度设计为80°,以利于在一定距离范围内减小电极与雾型间距提高荷电效果的同时,不会产生随轴向喷雾范围增大而使雾滴喷在电极内壁的现象,有助于提高喷雾荷电效果。
1.2 电极高度的设计
电极高度的设计主要取决于雾型充电区域的大小。液体的雾化过程分为雾流、雾膜、雾滴这3 个形态过程;而充电电极的充电过程主要作用在雾滴形成前的雾膜区域［１２］。处在雾膜状态时,由于液体并没有发生雾化,或即将发生雾化,因此该状态下的雾型也是最稳定的,一旦液体开始雾化,细小雾滴会向雾型四周扩散,因而会影响静电喷雾充电效果。因此,通过高感光工业摄像机对喷头喷雾过程进行拍摄,并对雾膜区域的轴向范围进行测量,得出喷嘴下方轴向距离10mm以内的雾型最为稳定,无雾滴向周围的飘散现象,说明这段距离内喷雾处于雾膜阶段,尚未完全细化成雾滴,因此将充电电极高度设计为10mm。
1.3 电极口径的设计
电极口径的设计主要根据电极内壁与雾型边缘的距离来确定。在静电喷雾充电过程中,锥形雾膜与空心锥充电电极相当于构成了一个平行板电容器［１３］;雾型与电极内壁间的空气相当于电容器间的绝缘介质,因此雾膜上感应携带的电荷量可以用平行板电容器电荷量来计算,有
式中 εｒ—介电常数;
S—雾极正对面积;
K—静电力常量;
d—雾极间距。
由公式(1)可以看出:电荷量Q与电容和电压成正比,电容与电极正对面积成正比,与雾极间距成反比。所以,在电极正对面积一定的情况下,为了提高雾膜携带电荷量,要尽可能地减小雾极间距,即减小电极口径。但是,为了提高系统安全性,避免发生放电现象,电极最小口径要求雾滴不能喷附在电极内壁上,因此通过在喷雾边缘与雾型平行放置水敏纸,在水平方向由远到近平移水敏纸靠近雾型。当水敏纸上接收到雾滴时停止移动,并测得此时水敏纸距离雾型边缘的水平距离,通过测量得出水敏纸与雾型最小的非接触距离为8mm。 将感应环小口半径设计为8mm,通过电极角度和电极高度计算得出大口半径为16.5mm,结构如图1所示。
2 充电电压对沉积率影响试验
静电喷雾使雾滴携带了电荷,且电荷呈现出与电极相反的电性,因此在荷电雾滴下落过程中雾滴周围会产生电场。由于植物叶片含水量多,相当于导体,当雾滴下落到叶片周围时,雾滴周围的电场就会对植物叶片产生静电感应现象,使叶表感应出与雾滴极性相反的电荷,从而在雾滴和植物叶片之间产生相互吸引电场力,从而提高雾滴在叶片上的沉积能力［１４］。
决定雾滴对叶片吸附能力的关键就是雾滴携带的电荷量的多少。由公式(1)可以看出:电荷量Q与感应环上的充电电压成正比。因此,本试验主要探究沉积率随充电电压的变化规律。
2.1 试验条件
喷雾试验在实验室内进行,室内温度20℃。以水作为喷雾试验材料,充电电压调节范围0~12kV,喷头喷雾压力变化范围在0~4.0MPa。
2.2 试验设备及仪器
试验系统主要包括喷雾试验台、静电喷头及沉积率测量仪器3部分。其中,喷雾试验台为WFS-Ⅱ型综合喷雾试验台,具有测量喷雾压力、流量、角度、粒径及均匀性等功能。主要技术参数如下:
台架尺寸(长×宽×高)/mm:3 600×2 100×2 200
液体体积测量精度/mL:±2
角度的测量精度/(°):±1
单次试验时间/s:设定范围30~60,精度:±1
喷头最大喷量/L·min-1:0~4
液泵最大可测量压力/MPa:0~2.5
液泵最大可测量流量/L·min-1:0~100
水泵调速范围/r·min-1:0~960
集雾槽间距/mm:50±0.5
喷杆架上下调节距离/mm:300 ~ 800
工业黑白数字摄像头/分辨率:640×480 60FPS
定焦镜头焦/mm:8
静电喷头由圆锥雾形喷头、空心圆锥充电电极及高压静电发生器组成。其中,喷头型号为80-015,喷雾角度为80°,喷雾流量为0.15 加仑/min,高压静电发生器电压调节范围0~12kV。
测量用具包括钢尺、水敏纸、扫描仪及计算机等。
2.3 试验方法
试验时,通过在喷头下方悬空放置钢尺作为导体,在钢尺双面粘贴水敏纸模拟植物叶片正反表面接收荷电雾滴,在0.25MPa的标准喷雾压力下进行喷雾;利用静电发生器在0~13kV范围内,以1kV为增量依次改变充电电压对喷雾进行充电,每组充电电压下进行5次喷雾,取平均值。喷雾结束后,取下钢尺上的水敏纸,利用微型扫描仪对水敏纸正反两面附着的雾滴进行扫描,再利用分析软件对扫描图谱进行分析计算,以得出雾滴在水敏纸双面的沉积率。
2.4 试验结果及分析
通过表1的试验数据,得出正反面雾滴沉积率随充电电压的变化规律曲线,如图2所示。正面沉积率随充电电压的变化呈现平缓增加趋势,当充电电压达到3.5kV以后,反面水敏纸开始有液滴沉积,说明此时荷电雾滴产生电场对钢尺产生静电感应现象,影响了钢尺表面的电荷分布情况。因此,雾滴与钢尺表面存在相互吸引的电场力,且该时刻电场力能后克服雾滴下落时受到的自身重力,因而能吸附在钢尺背面的水敏纸上。
在充电电压达到8kV以后,雾滴沉积率增长趋势逐渐平缓甚至下降。这是因为随着充电电压的增大,雾滴携带的电荷量趋于饱和状态;且继续增大电压,由于极周围产生的强静电场,会对电极附近刚刚雾化后的细小液滴产生吸引力而影响荷电雾滴的沉积效果。在充电电压为8kV时,得到了本试验最佳雾滴沉积率为正面28.57%,反面8.61%。通过与充电电压为0kV的对照组相比,正面沉积率提高4.51%,反面沉积率提高8.61%。
随后,本试验以正反面沉积率之和代表作物表面雾滴总沉积率,并建立总沉积率随充电电压变化的散点图和趋势线,探究雾滴总沉积率随充电电压变化规律,如图3所示。同时,建立了雾滴沉积率与充电电压的回归方程,R２=0.922 0,说明该方程具有较高可信度。
3 喷雾压力对沉积率影响探究
喷头喷雾压力的变化能够使雾滴的物理性能发生变化(如雾滴表面张力及雾滴粒径等),而这些物理性质的变化也会接影响雾滴的荷电效果及在作物上的沉降效果。因此,本文在喷雾沉积试验系统的基础上,以8 000V对充电电极进行充电,通过改变液压泵的工作频率来改变喷头的喷雾压力,再次测量雾滴在水敏纸上的沉积率,来探究雾滴沉积率随喷雾压力的变化情况。
试验结果如表2 所示。根据试验结果绘制了目标正反面沉积率随喷雾压力的变化曲线,如图3 所示。当喷雾压力增大后,正面水敏纸上的雾滴沉积率增加明显,而背面水敏纸的沉积率在0.3MPa后趋于平稳。这是因为随着喷头喷雾压力的增大,喷头的喷雾流量也随之增大,且雾滴更加细密,因此在正面的水敏纸上的沉积率明显增加;而背面水敏纸上的雾滴沉积,主要取决于荷电雾滴的荷电数量,当充电电压不变,感应电极所产生的电场强度不变,因此雾膜上感应携带的电荷量Q不变。此时,增大喷雾压力,单位时间内会有更多液体从喷嘴喷出,虽然雾滴数量增加,且雾滴粒径变小,但是单个雾滴所携带的电荷量也随之减少,单个雾滴荷电量减少,因此背面沉积效果并没有明显增大。通过对雾滴总沉积率随喷雾压力的变化散点图绘制规律线,得出雾滴总沉积率随喷雾压力的增大呈现线性上升趋势。通过软件对趋势线分析后得出了雾滴总沉积率随喷雾压力变化的线性回归方程,R２=0.973 7,表明该回归方程具有较高的可信度。
4 正交试验
4.1 试验设计
针对安排多因素试验、寻求最优水平组合,常见的试验方法是正交试验。它是在试验因素的所有水平中挑选具有代表性的水平进行试验,通过分析试验结果,找到最优的水平组合［１５］。本文采用3因素3水平正交试验对喷雾压力、喷雾高度和充电电压进行喷雾沉积率试验分析。
通过单因素试验确定出喷雾压力的试验水平为0.2、0.25、0.3MPa。 充电电压的试验水平为6、8、10kV。根据植保喷雾操作要求确定喷雾高度的试验水平为40、50、60cm。 本文选用的L９(3４)正交试验表,如表3所示。
4.2 试验结果
根据正交试验表安排了9次试验,试验结果如表4所示。
4.3 试验结果分析
4.3.1 极差分析
极差分析结果计算表如表5所示。
表5中,K1、K2、K3的3个数分别表示试验因素充电电压U、喷雾压力P、喷雾高度H在第1、2、3水平所在试验中对应的标准偏差和;k1、k2、k3的值是各水平的平均值;极差R是在同一列中最大值与最小值的差值,它衡量各个因素的水平改变时对试验结果影响的大小。
从表5 中可以看出:3 个极差中,因素U的极差最大,说明充电电压改变时对喷雾沉积率的影响最大;其次为喷雾压力;影响最小的是喷雾高度。因素U中的3个水平中对应的沉积率分别为97.22、137.13、151.61,第3个水平最大,所以取第3 个水平U3对喷雾沉积效果最好。同理,其他两个因素中,P3和H2对喷雾沉积效果最好。
由此得出结论:对静电喷雾沉积率影响大小的因素排序为充电电压、喷雾压力、喷雾高度,并得出静电喷雾的最好方案为充电电压U为10kV、喷雾压力P=0.3MPa、喷雾高度H=50cm。
4.3.2 试验结果的方差分析
通过对试验结果的极差分析,找到了各因素对沉积率影响的主次顺序和各因素水平的最佳组合。本节将通过方差分析检验各因素下不同水平对试验结果的影响是否显著。方差分析表如表6所示。
通过表6可以看出:3 个因素对沉积率的影响均显著,且因素的显著程度排序分别为U >P>H。方差分析所得结果与上节极差分析结果一致,说明误差并没有影响试验结果的正确性。
4.4 试验验证
通过对正交试验得出的各因素的最佳水平组合,进行了验证试验。以10kV的充电电压、0.3MPa的喷雾压力、50cm的喷雾高度进行了多次试验,得出在该因素水平组合下的平均雾滴沉积率为60.12%。
5 结论
1)设计了圆锥雾型喷头充电电极,并通过理论分析和计算得到了最佳的电极结构参数,提高了静电喷雾雾滴荷电效果。
2)通过设计静电喷雾试验系统,对静电喷头的喷雾沉积性能进行了试验,结果表明:雾滴荷电后,雾滴在目标表面的沉积率随充电电压的增大呈先增大、后减小的趋势;在充电电压为8kV时,得到的最佳沉积率为37.18%。与非静电喷雾相比,其沉积率提高了13.12%。
3)当充电电压增大到3.5kV以后,目标背面开始有雾滴沉积;且随着电压的增大,目标总沉积率明显增加。与非静电体条件相比,沉积率增加效果较为显著。
4)喷头喷雾压力的增加对雾滴荷电量基本没有太大影响,因此对目标背面的雾滴沉积率的提高无明显效果;但对目标总沉积率的增加效果比较显著。
雾滴沉积均匀性 篇3
荷电喷雾技术是近年来发展起来的有效农药喷施技术,它不但可以减少农药漂移产生的环境污染,而且能够大大提高杀虫概率。该技术领域的理论和应用研究日益为国内外所关注[1]。与常规喷雾技术相比,静电雾化能显著提高药液在靶标作物下部和背部的沉积效果,农药利用率提高了20%～30%[2,3]。在农药喷雾中,主要目的就是要增加雾滴在目标物上的沉积量,减少雾滴飘移。而静电雾化技术能够使得雾滴在目标物上的沉积性更加良好。然而,随着喷雾液滴荷质比以及喷头离目标物距离的增加,漂移量会加大[4]。农药喷施精确与否取决于药液在农作物(靶标)上的有效沉积[6],而影响荷电雾滴沉积的影响因素复杂,沉积分布状态波动变化大。本文通过对一定距离靶标荷电喷雾,进行雾滴荷质比对雾滴沉积分布的试验研究,并对测量区域中轴线沉积量变化规律及轴向沉积变化规律进行相关分析。
1 静电喷雾机理
静电喷雾机喷嘴具有正的或负的高压静电,使得喷嘴喷出的雾滴带有与喷嘴极性相同的电荷。根据静电感应原理,由于离地面不远的喷嘴带有高压电,地面上的目标表面将带有与喷嘴极性相反的电荷。
由于离开喷嘴的荷电雾滴与目标物所带电荷极性相反,雾滴在电极与目标物间电场作用及重力等作用下快速向目标运动,且能够沉降在目标物的背面及隐蔽部位[6]。
2 试验装置及条件
2.1 喷雾系统
感应荷电静电喷雾系统如图1所示。该系统由供液系统与电极充电部分组成: 供液系统提供液体雾化的雾化压力,荷电部分对雾滴进行充电,以获得荷电雾滴。
1.储液箱 2.液泵 3.电磁阀 4.调压阀 5.液压表6.喷头 7.环状电极 8.高电压表 9.可调高压电源
2.2 荷电装置
采用环状电极,利用感应充电方式对雾滴充电,如图2所示。环状电极安装在绝缘支架上,通过高压静电发生器对环状电极加一高压静电,在雾滴形成区附近,环状电极与雾滴液流之间的电场使得雾滴充电[7],产生带电雾滴。试验中采用流量为2.86mL/s的TR80-005C空心圆锥喷头,环状电极直径为60mm,电极中心距离喷嘴端面7mm。
2.3 荷质比测量
荷电量是反映带电体基本情况的物理量,对于粉状、液滴等的带电情况,常用荷质比来表示,即其质量电荷密度。荷质比是荷电量与该物体质量之比,是衡量雾滴带电效果的重要评定参数,荷质比越大,证明雾滴的荷电效果越好。荷质比测量方法有法拉第筒法、网状目标法等,采用的原理基本相同,主要是应用对象以及场合不同。本试验采用网状目标法测量雾滴荷质比,测量装置如图3所示。荷电雾滴群体到达网状接收装置并聚集电荷在金属丝网上时即与地面构成回路,产生微电流;用精密微安表测出该电流,同时雾滴采样筒在一定时间内测出雾流量QV或质量m,则雾滴群体的平均荷质比为Q/m=l/ρQV。
1.通液管 2.绝缘支撑架 3.绝缘支架4.环状电极 5.静电发生器 6.雾化喷头
1.雾化喷头 2.电极 3.雾滴收集装置4.精密微安表 5.铜丝网 6.量筒
2.4 模拟靶标及沉积雾滴收集装置
模拟靶标采用直径0.8cm、高度4cm的金属棒,并通过导线接地,如图4所示。雾滴沉积测量区域为轴向长度(喷雾方向)110cm、横向宽度55cm的矩形区域,喷头与测量区域轴向中轴线处于同一铅垂面,且与雾滴沉积区域水平距离为15cm。设置均匀测点,如图5所示。为了操作方便,取矩形测量区域为242个5cm×5cm正方形小格(轴向A1-A22、横向B1- B11),将口径为4cm、高度5cm的圆柱形雾滴收集容器置于小格中央,收集各测点沉积雾滴,用量筒量取雾滴沉积量,并采用沉积量比例作为指标。
1.铁棒 2.铜丝 3.铜丝网
2.5 试验条件和测量工况
试验条件:环境温度20℃,相对湿度60%,室内密闭,无外界气流影响;试验介质是自来水,喷雾压力0.2MPa,流量2.86mL/s,荷质比(mC/kg)为0(未荷电),0.1,0.2,0.3,0.4;喷头水平放置,喷头高度(喷头距离雾滴采集面)为500mm,对靶喷雾距离(喷头距离植株模拟靶标)为550mm。
1.喷头 2.测区网格 3.550mm靶标位置4.均匀测点 5.雾滴收集器皿
3 试验结果和分析
图6为对靶喷雾荷质比与沉积区域中轴线上各测点沉积量的关系。随着荷质比的增大,靶标前沉积雾滴集中区域逐渐向靶标移动,靶标后距离靶标较近区域雾滴沉积量逐渐增大,并且喷雾最大距离减小。图7为荷质比与轴向各轴总沉积量的关系,可见雾滴荷电后轴向 B1,B2,B3,B9,B10,B11雾滴沉积总量增大,而测区中轴两侧的雾滴向中轴线集中。
荷质比与测区中轴线沉积量关系结果分析:由图6可知,与喷头距离为175～275mm测点的沉积量荷电后相对于未荷电时明显增大,由于荷电后喷雾锥角增大,可以有更多的雾滴在此区域沉积;而电极带有与雾滴同种电荷,其电场在喷头附近作用较强,可以改变部分雾滴的初始运动方向,对粒径较小雾滴尤为明显,它们可以向喷头斜下方、左侧、右侧甚至喷头后方运动。在轴向距离为375～425mm区段,沉积量变化明显,最大雾量沉积位置逐渐向靶标方向移动,在其他荷电参数不变的情况下,较大的荷质比对应较大的充电电压,而感应充电荷电雾滴带有与电极极性相同的电荷。电极产生的电场对雾滴运动有一定的加速作用,同时雾滴荷质比增大,雾滴表面电荷量增大,同种电荷的排斥力对于雾滴的分裂雾化起到促进作用;雾滴粒径变小,进一步有效地受到空间电场的支配,并且靶标在电极电场及雾滴群体电场作用下,带有更多的与雾滴极性相反的电荷,对雾滴的吸引作用增强。当荷质比为0.4mC/kg时,最大沉积雾量值明显减小,可知此时靶标对雾滴吸附作用明显,雾滴可以有效地吸附在靶标上。在轴向距离为575～675mm区段,沉积量随荷质比增大而增大,雾滴粒径减小,受电场支配作用增强,且靶标对其吸引力增大,飞行高于靶标的雾滴运动到靶标后部时速度有所减小,使得在靶标后局部区域沉积量逐渐增大,进而使得775mm以后区段的沉积量逐渐减小,同时可得知随着荷质比的增大,喷雾距离会有一定程度上的减小。
荷质比与荷电雾滴轴向沉积量的关系结果分析:由图7可知,雾滴荷电后,测区左右边缘部分的沉积量有所增大,有更多的雾滴到达该区域,说明对雾滴荷电后雾锥角增大,且在电场作用下向两侧运动的雾滴运动速度增加;而雾滴荷质比增大后沉积量变化不明显,且有一定的减小,说明增加充电电压到一定程度后雾锥角变化幅度较小,雾滴粒径减小以及受到电极电场力作用加强,雾滴速度加快,飞出测量区域。而在中轴线附近区域的沉积分布向靶标所在的中轴方向集中,说明未荷电时沉积在靶标两侧的雾滴在荷电后能够受到靶标的吸引作用而向靶标移动。综合图5可知,荷电雾滴从前后左右都可以吸附到靶标之上,而随着荷质比增大变化不再明显。所以,雾滴吸附到靶标之上除了需要有一定的荷质比条件外,还应有合适的速度及必要的下落时间。
图8～图12为不同荷质比时的沉积分布情况。从图8～图12中可以看出随着雾滴荷质比的增大,雾滴沉积分布情况有明显变化,雾滴逐渐向靶标方向沉降;且随着荷质比增大,喷雾距离有所减小,说明增大荷质比可以增强靶标对荷电雾滴的吸附作用,改善喷雾效果,且减少沉降在非靶标区域的沉积量,从而减少药液的浪费。
4 结论
1)相对非荷电喷雾,荷电喷雾时荷电雾滴在电场作用下可以有效地向靶标沉积,同时雾锥角增大,雾滴可以覆盖更大的区域,所以利用喷杆荷电喷雾时可以适当增大喷头间距。
2)靶标与喷头应合适,距离过小则荷电雾滴速度较大不能有效吸附到靶标,同时也达不到在荷电雾滴靶标背部沉积的效果;距离过大则会有大量雾滴沉积在靶标前,造成资源浪费。喷雾高度应合适,过低会造成雾滴没有足够时间向靶标吸附;而过高会有较多雾滴飞行轨迹较高,沉积在靶标后较远区域,同时室外喷雾时外界气流会对雾滴运动产生较大影响。
参考文献
[1]S Edward Law.Agricultural electrostatic spray application:areview of significant research and development during the20th century[J].Journal of Electrostatics,2001,51/52:25-42.
[2]吴春笃,拾亚男,张波,等.气助式静电喷雾靶标物背部沉积特性[J].排灌机械,2009,27(4):242-246.
[3]GUPTA C P,DUC T X.Deposition studies of a hand held air-assisted electrostatic sprayer[J].Transaction of the ASAE,1996,39(5):1 633-1 639.
[4]Zhao S,Castle G.S.P.,Adamiak K.Factors affecting dep-osition in electrostatic pesticide spraying[J].Journal of Elec-trostatics,2008,66:594-601.
[5]宋淑然,洪添胜,王卫星,等.水稻田农药喷雾分布与雾滴沉积量的试验分析[J].农业机械学报,2004,35(6):90-93.
[6]王荣.植保机械理论与设计[M].吉林:吉林人民出版社,2002.