第4講_超聲處理

1、第4講：超聲處理,何為超聲處理？,超聲處理：是指利用超聲能量使物質(zhì)的一些物理、化學(xué)、和生物特性或狀態(tài)發(fā)生變化，或者使這種變化速度加快的處理過程。前面所述的超聲清洗、焊接和加工應(yīng)用都屬于超聲處理。 本次課介紹應(yīng)用面較窄的超聲處理技術(shù)。,主要內(nèi)容,超聲霧化 超聲搪錫 超聲粉碎 超聲乳化 超聲凝聚 超聲除氣,主要內(nèi)容,超聲疲勞試驗 超聲淬火 超聲加速過濾 超聲細(xì)化晶粒 超聲腐蝕處理,1 超聲霧化,1.1 基本概念,超聲霧化：超聲霧化是指在超聲的作用下，液體在氣相中分散而形成微細(xì)霧滴的過程。 霧滴平均直徑與頻率：頻率高則霧滴小 霧化速度與超聲強(qiáng)度：強(qiáng)度大則霧量多 其它因素：液體本身的表面張力、密度、粘

2、度、蒸汽壓、溫度等對液體的霧化也有一定的影響。,1.2 超聲霧化優(yōu)點,霧滴的大小和密度能夠獨(dú)立控制，而這是其它他常用來產(chǎn)生微小霧滴的技術(shù)所不能做到的。 例如在氣流霧化中，減小霧化顆粒，必須增大氣流，這只能犧牲霧的密度。,1.3 超聲霧化裝置（1）,高頻(0.8-5MHz)應(yīng)用的裝置：液體噴泉成霧，產(chǎn)生液滴的直徑為15m，可用于醫(yī)療等方面。,1.3 超聲霧化裝置（2）,采用磁致縮換能器可直接在其輻射面形成霧滴，它要求功率大，因此一般在換能器輻射端再加一個變幅桿，以放大位移振幅，使其易于產(chǎn)生霧滴。液體的入口位于變幅桿的位移節(jié)點處。,1.4 調(diào)節(jié)霧滴大小的裝置,在液體噴出的變幅桿端頭安裝一個金屬閥塊

3、，當(dāng)變幅桿作縱向振動處于收縮的半周時，則在閥塊與變幅桿表面間形成一微小空隙，并被流入的液體充滿，而到縱振動伸張的半周，這個空隙又逐湘變小一直到無。同時液體被擠出形成微小液滴。 通過調(diào)整外加于閥塊上壓力的大小，可改變液滴的大小。當(dāng)然這只是影響液滴大小的因素之一，實際上，超聲振動的諸參量均影響液滴的大小。,1.5 超聲霧化機(jī)理,空化理論：空化泡閉合時產(chǎn)生的微激波而引起霧化 ； 表面張力波理論：表面張力波在它的波峰處產(chǎn)生霧滴，其大小與波長成正比；,1.5 超聲霧化機(jī)理,空化表面張力波理論：微激波有限振幅表面張力波可互相作用而形成霧滴，霧滴直徑可由下式近似計算：,其中：式中T為液體的表面張力系數(shù)， 為

4、液體的密度，f 為聲振動頻率，0.3,1.5 超聲霧化機(jī)理,超聲頻率和霧滴直徑的關(guān)系 ：,1.5 超聲霧化機(jī)理,超聲霧化的實驗檢驗 ： 一種是高速攝影，用此方法可以詳細(xì)研究霧滴的形成過程; 另一種方法是通過霧化了的石蠟或金屬，因為這些物質(zhì)的霧滴在空中飛行期間會很快凝固，把凝固的顆粒收集起來即可測量其大小。,1.6 超聲霧化應(yīng)用,醫(yī)用吸入超聲霧化器 鼻、咽喉、肺部治療 肺部同位素診斷，優(yōu)點：劑量小 家用超聲加濕器 超聲霧化還可用于燃料油的霧化，使得燃油燃燒更充分，節(jié)約能源,1.6 超聲霧化應(yīng)用,制取金屬粉末 把熔化了的金屬通過超聲振動使其霧化，然后霧滴狀的金屬微粒在空氣中冷卻凝固后下落，收集起來

5、即為所需制備的金屬粉末。 霧滴的大小與超聲的參量有關(guān)，同時也與熔化金屬的物理性質(zhì)有關(guān)。 在工業(yè)上用于制造金屬粉末，尤其是適用于制造易延展和軟而低熔點金屬材料的粉末，如鋅、鋁等粉末。,2 超聲搪錫,原理：在容器中的錫被加熱熔解成液態(tài)錫后，在錫液中引入超聲，將金屬件插人錫液中，由于錫液中超聲空化所產(chǎn)生的力效應(yīng)能除去浸在其中金屬表面的氧化物，而搪上一層錫，這就是超聲搪錫的基本原理。 應(yīng)用：鋁件表面要搪上一層錫是很困難的，因為鋁表面的氧化層很難除去，即使除去也很快氧化 ，而用超聲卻可以比較容易地解決這一問題 。,3 超聲粉碎,3.1 超聲粉碎基本概念,在超聲的作用下，使液體中的固體顆?；蛏锝M織等破碎

6、的過程叫超聲粉碎。超聲粉碎在化工、醫(yī)藥、生物等領(lǐng)域有較多的應(yīng)用。,3.2 超聲粉碎的關(guān)鍵部件,超聲粉碎需要較大的位移振幅，因此在換能器輻射端都接有變幅桿，有時接多級變幅桿。變幅桿的形式是多種多樣的，根據(jù)粉碎對象的不同而異 。 舉例：小端直徑為3mm。該變幅桿一般用于小容器處理，小容器的容積一般在0.520ml之間。,3.3 超聲粉碎裝置舉例,可同時處理兩種不問物質(zhì)并進(jìn)行混合的裝置。 在變幅桿的振動節(jié)點位置設(shè)計有兩個進(jìn)口，兩種待處理的材料分別由此二口輸入，經(jīng)過粉碎、混合在一起后，由變幅桿的出口噴入收集器內(nèi)。,3.4 超聲粉碎缺點,超聲粉碎一般采用較低的超聲振動頻率、較高的聲強(qiáng)度，因此噪聲是比較大

7、的。為了降低噪聲對周圍環(huán)境的影響，有些超聲粉碎是在特制的消聲箱中進(jìn)行的 。,3.5超聲粉碎應(yīng)用,超聲粉碎細(xì)胞在生物學(xué)的某些研究中有主要意義。在生物組織粉碎方面有人曾把細(xì)菌（例如大腸桿菌）粉碎，以提取其中的有用成分。 工業(yè)用的二硫化鉬的粉末作為潤滑劑，細(xì)度是它的質(zhì)量的一個重要指標(biāo)之一，要求粉末中的微粒要占95%以上。利用超聲來粉碎，能得到良好效果。,3.5超聲粉碎應(yīng)用,超聲粉碎染料，比一般機(jī)械磨碎法所得的顆粒更小、更均勻，特別是不可溶性的礦物染料的粉碎，如士林染料的粉碎，若采用超聲技術(shù)能夠獲得以下的染料粒子。可以用來作懸浮體來染色，這不僅能節(jié)約染料，還提高了染色質(zhì)量，染色色質(zhì)鮮艷，牢度增加。 超

8、聲對食品中的可可粉、咖啡粉、巧克力粉的粉碎，以及對礦山礦粉、碎性藥品、化工日用產(chǎn)品等的粉碎都有效果。,4 超聲乳化,4.1超聲乳化基本概念,超聲乳化：把兩種互不相溶的液體在超聲的作用下混合成乳濁液的工藝過程叫超聲乳化 。 超聲乳化閾值：超聲乳化與超聲頻率和強(qiáng)度有關(guān)，在某個強(qiáng)度值以下，乳化不會發(fā)生，這個強(qiáng)度值就是超聲乳化閾值。 應(yīng)用：可為農(nóng)業(yè)制取某些農(nóng)藥乳劑，可使油水混合形成乳化液等等,4.2超聲乳化裝置舉例,換能器直徑50mm，諧振頻率20kHz； 變幅桿把位移振幅放大4倍。,0號柴油摻水混合液進(jìn)行乳化處理，乳化后液體穩(wěn)定時間可達(dá)一個月。 一方面節(jié)約了能源，另一方面也降低了排煙中有害物質(zhì)的濃度

9、，有利于環(huán)保,5 超聲凝聚,5.1 超聲凝聚的概念,背景：在氣體或液體介質(zhì)中，經(jīng)常有各種不同的雜質(zhì)懸浮著，它們可以是固體粒子、液體粒子、甚至還有別種氣體粒子。 超聲凝聚：在超聲的作用下使液體中或氣體中的懸浮粒子凝聚、下沉的過程。,5.2超聲凝聚原理,當(dāng)超聲波通過有懸浮粒子的流體介質(zhì)時，其中的懸浮粒子開始與介質(zhì)一起振動，但由于大小不同的粒子具有不同的相對振動速度、粒子將會相互碰撞、粘合，體積和重量均增大。 其后，由于粒子變大已不能跟隨聲振動運(yùn)動了，而只能作無規(guī)則的運(yùn)動，繼續(xù)碰撞，粘合、變大，最后沉淀下來。,6 超聲除氣,6.1超聲除氣原理,在需要除氣的液體中輸入超聲振動，在聲波的低壓區(qū)可使含有液

10、體中的微小氣泡釋放出來，且與附近的其他氣泡合并變成較大的氣泡。這些氣泡將移動到攪動小的區(qū)域，在那里再產(chǎn)生合并，達(dá)到一定大小后即上升到液體表面。,6.2超聲除氣應(yīng)用,清除液態(tài)玻璃中的氣體 把熔化的玻璃溫度維持在1350C，然后在冷卻時用超聲照射30分鐘即可達(dá)到除氣的目的。此方法被用于制造結(jié)構(gòu)完全均勻的光學(xué)玻璃的工藝過程中。 超聲除氣可用于對液態(tài)金屬的除氣,6.2超聲除氣應(yīng)用,在感光化工中得到應(yīng)用。 背景：感光材料的彩色乳劑及保持膜明膠，都是粘滯性大、易產(chǎn)生氣泡的溶液。溶液中如有氣泡存在，對質(zhì)量影響將會很大。因為帶有氣泡的乳劑涂在底片上，底片上就會出現(xiàn)一個沒有涂上乳劑的白點。膠片拍成電影映在銀幕上

11、時，圖像要放大240倍，因此，一個針尖大小的白點都會對膠片質(zhì)量造成很大的影響。 超聲作用：用超聲在彩色涂片流水線中對流動著的乳劑進(jìn)行消泡處理，取得了很好的效果，既保證了無氣泡，又不影響底片的照像性能，同時可以提高工效、節(jié)約能源。,7 超聲疲勞試驗,7.1 基本概念,金屬材料承受重復(fù)或交變載荷而不破壞的能力，就稱為該材料的疲勞強(qiáng)度或耐疲勞強(qiáng)度。 金屬材料的疲勞強(qiáng)度不僅與材料的性質(zhì)有關(guān)，而且與許多工藝因素，結(jié)構(gòu)和使用因素有關(guān)。材料的疲勞強(qiáng)度都是通過試驗來確定的。,7.1 基本概念,通常，材料的疲勞強(qiáng)度是以在使用應(yīng)力范圍內(nèi)材料損壞前所承受的振動次數(shù)來表示的，該次數(shù)即該材料壽命。 材料的使用壽命越長，

12、進(jìn)行疲勞試驗所需的時間就越長，另一方面為了取得可靠的結(jié)果，實驗往往需要重復(fù)，所需時間就更長。超聲疲勞試驗在這方面顯示出優(yōu)點。,7.2 常規(guī)疲勞試驗的缺點,常規(guī)的疲勞試驗是在專用的試驗機(jī)上進(jìn)行的，其頻率范圍一般在25200Hz的范圍內(nèi)。 確定疲勞強(qiáng)度需要的時間很長，且試驗成本較高 。 很難測試高速或高頻振動狀態(tài)下，材料的壽命。,7.3 超聲疲勞試驗的優(yōu)點,由于超聲振動頻率很高，因此可以在很短的時間內(nèi)確定出材料的疲勞強(qiáng)度。特別是可以確定高速振動狀態(tài)下材料的疲勞強(qiáng)度。,7.4 超聲疲勞試驗的原理,在超聲振動的作用下，使試件與激發(fā)力發(fā)生諧振，此時，在試件中就會激起變化速率與外激力相等的交變應(yīng)力。 改變

13、超聲振動的振幅就可改變試件振動的振幅:從而可以在試件中獲得所需的應(yīng)力。,7.4 超聲疲勞試驗裝置,在試件的中部，應(yīng)變達(dá)到了 一個高峰，這也就是將發(fā)生疲勞斷裂之處。當(dāng)進(jìn)行疲勞試驗時，試件被激勵至適當(dāng)?shù)膽?yīng)變級，并同時記錄其所經(jīng)歷的破壞周期數(shù)。 在一個適當(dāng)?shù)膽?yīng)變范圍內(nèi)對一定數(shù)目的試件重復(fù)進(jìn)行試驗，就能得到繪制材料疲勞曲線的必要數(shù)據(jù)。,7.4 超聲疲勞試驗條件,試件的固有頻率與振動系統(tǒng)的共振頻率必須接近或一致。假如使試件本身也具有一定的應(yīng)力放大因數(shù)則更為有利，因為在此情況下，所需的激勵條件可以降低。因此，進(jìn)行疲勞試驗的材料一般都要作成具有一定形狀的試件。,8 超聲淬火,8.1 基本概念,淬火：熱處理工

14、藝中應(yīng)用最廣的工序，它在材料強(qiáng)韌化過程中起關(guān)鍵性的作用。 超聲淬火：有超聲作用的淬火工藝就稱為超聲淬火。實驗研究證明，在淬火介質(zhì)中引入超聲振動，可提高介質(zhì)的冷卻速度和改善材料淬火的性能指標(biāo)。,8.2 超聲淬火裝置,超聲淬火與常規(guī)淬火在工藝過程上基本相同，唯一的差別是在淬火過程中，前者的淬火介質(zhì)有超聲作用，而后者的介質(zhì)中無超聲作用。,8.3 超聲淬火原理,在有相變的介質(zhì)(水、油等)中進(jìn)行冷卻的淬火過程一般包括膜沸騰、泡沸騰和對流換熱三個階段。 在常規(guī)的淬火過程申，高溫區(qū)的那層氣膜是很難破碎的，即使在激烈攪拌條件下，也效果甚微。這就是說，從膜沸騰的第一階段過渡到泡沸騰的第二階段是比較緩慢的。 超聲

15、淬火：則出于超聲在液體介質(zhì)中產(chǎn)生空化效應(yīng)，空化泡閉合時產(chǎn)生的微激波可使這種氣膜很快破裂，使淬火冷卻時序有較大提前，使整個溫度區(qū)的冷卻度明顯提高。實際上，這等效于在超聲的作用下提高了淬火介質(zhì)的冷卻特性。,9 超聲加速過濾,9.1 超聲加速過濾應(yīng)用背景,引人強(qiáng)超聲能夠強(qiáng)化液體通過多孔媒質(zhì)時的擴(kuò)散作用。過濾器長期存在的一個間題是使用過程中逐漸被阻塞而降低過濾速度。實驗表明，超聲振動能夠增加過濾速度，減少濾膜上的沉積物，可以減少過濾器的清洗次數(shù)。,9.2 超聲加速過濾裝置,有曾研究過孔徑由幾微米到100微米的燒結(jié)銅、不銹鋼過濾器，都能加快過濾速度。在過濾臟馬達(dá)油和煤懸浮液時，加以超聲振動能大大提高過濾速度。,10 超聲細(xì)化晶粒,背景：超聲對結(jié)晶過程的影響有兩方面:一是對過飽和溶液晶體生長的影響，另一方面是在金屬凝固過程中對晶粒結(jié)構(gòu)的影響。 強(qiáng)超聲能加速有機(jī)和無機(jī)過飽和溶液核晶的形成過程，抑制晶體生長而得到更細(xì)更均勻的晶粒。其原因是由于空化使晶團(tuán)、樹枝狀晶破碎和分散，使每一個晶體形成許多新的晶核。這一技術(shù)曾用于一些藥物和材料。 熔融金屬在固化過程中進(jìn)行超聲處理會使晶粒變細(xì)，改變其中一些物理機(jī)械性質(zhì)，如延伸率、沖擊強(qiáng)度和變形特性等。,11 超聲腐蝕處理,背景：在石油管部件的抗銹保養(yǎng)方面，作為油管橡