第4講超聲處理

1、第4講超聲處理 第4講：超聲處理 第4講超聲處理 何為超聲處理？ n超聲處理：超聲處理：是指利用超聲能量使物質的 一些物理、化學、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 加工應用都屬于超聲處理。 n本次課介紹應用面較窄的超聲處理技術。 第4講超聲處理 主要內(nèi)容 n超聲霧化 n超聲搪錫 n超聲粉碎 n超聲乳化 n超聲凝聚 n超聲除氣 第4講超聲處理 主要內(nèi)容 n超聲疲勞試驗 n超聲淬火 n超聲加速過濾 n超聲細化晶粒 n超聲腐蝕處理 第4講超聲處理 1 超聲霧化 第4講超聲處理 1.1 基本概念 n超聲霧化超聲霧化：超聲霧化是指在超聲的作用 下

2、，液體在氣相氣相中分散而形成微細霧滴 的過程。 n霧滴平均直徑與頻率：頻率高則霧滴小 n霧化速度與超聲強度：強度大則霧量多 n其它因素：液體本身的表面張力、密度、 粘度、蒸汽壓、溫度等對液體的霧化也 有一定的影響。 第4講超聲處理 1.2 超聲霧化優(yōu)點 n霧滴的大小和密度能夠獨立控制，而這 是其它他常用來產(chǎn)生微小霧滴的技術所 不能做到的。 n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。 第4講超聲處理 1.3 超聲霧化裝置（1） n高頻(0.8-5MHz)應用的裝置：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。 第4講超聲處理 1.3 超聲霧化裝置（2）

3、 n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。 第4講超聲處理 1.4 調(diào)節(jié)霧滴大小的裝置調(diào)節(jié)霧滴大小的裝置 n在液體噴出的變幅桿端頭安裝一個金屬閥塊，當變 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。 n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。 第4講

4、超聲處理 1.5 超聲霧化機理 n空化理論：空化泡閉合時產(chǎn)生的微激波 而引起霧化 ； n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； 第4講超聲處理 1.5 超聲霧化機理 n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： 3/1 2 8 f T D 其中：式中T為液體的表面張力系數(shù)， 為液 體的密度，f 為聲振動頻率，0.3 第4講超聲處理 1.5 超聲霧化機理 n超聲頻率和霧滴直徑的關系 ： 第4講超聲處理 1.5 超聲霧化機理 n超聲霧化的實驗檢驗 ： n一種是高速攝影，用此方法可以詳細研究霧 滴的形成過程; n另

5、一種方法是通過霧化了的石蠟或金屬，因 為這些物質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。 第4講超聲處理 1.6 超聲霧化應用 n醫(yī)用吸入超聲霧化器 n鼻、咽喉、肺部治療 n肺部同位素診斷，優(yōu)點：劑量小 n家用超聲加濕器 n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 第4講超聲處理 1.6 超聲霧化應用 n制取金屬粉末 n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，收集起來即為所需制備的金屬粉末。 n霧滴的大小與超聲的參量有關，同時也與熔 化金屬的物理性質有關。 n在工業(yè)上用于制造金屬粉末，尤其是適用于 制

6、造易延展和軟而低熔點金屬材料的粉末， 如鋅、鋁等粉末。 第4講超聲處理 2 超聲搪錫 n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。 n應用：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 。 第4講超聲處理 3 超聲粉碎 第4講超聲處理 3.1 超聲粉碎基本概念 n在超聲的作用下，使液體中的固體顆粒 或生物組織等破碎的過程叫超聲粉碎。 超聲粉碎在化工、醫(yī)藥、生物等領域有

7、較多的應用。 第4講超聲處理 3.2 超聲粉碎的關鍵部件 n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 。 n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。 第4講超聲處理 3.3 超聲粉碎裝置舉例 n可同時處理兩種不問物 質并進行混合的裝置。 n在變幅桿的振動節(jié)點位 置設計有兩個進口，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)。 第4講超聲處理 3.4 超聲粉碎缺點 n超聲粉碎一般采用較低的超聲振動頻率、 較高

8、的聲強度，因此噪聲是比較大的。 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行的 。 第4講超聲處理 3.5超聲粉碎應用 n超聲粉碎細胞在生物學的某些研究中有 主要意義。在生物組織粉碎方面有人曾 把細菌（例如大腸桿菌）粉碎，以提取 其中的有用成分。 n工業(yè)用的二硫化鉬的粉末作為潤滑劑， 細度是它的質量的一個重要指標之一， 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。 第4講超聲處理 3.5超聲粉碎應用 n超聲粉碎染料，比一般機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，若采用超聲技術能 夠獲得以下的染料粒子。可

9、以用來作懸浮體來 染色，這不僅能節(jié)約染料，還提高了染色質量， 染色色質鮮艷，牢度增加。 n超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。 第4講超聲處理 4 超聲乳化 第4講超聲處理 4.1超聲乳化基本概念 n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 。 n超聲乳化閾值：超聲乳化與超聲頻率和強度有 關，在某個強度值以下，乳化不會發(fā)生，這個 強度值就是超聲乳化閾值。 n應用：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 第4講超聲處理 4.2超聲乳化裝置舉例 n換能器直徑50mm，諧振頻率

10、20kHz； n變幅桿把位移振幅放大4倍。 n0號柴油摻水混合液進行乳化處理，乳化后 液體穩(wěn)定時間可達一個月。 n一方面節(jié)約了能源，另一方面也降低了排 煙中有害物質的濃度，有利于環(huán)保 第4講超聲處理 5 超聲凝聚 第4講超聲處理 5.1 超聲凝聚的概念 n背景：在氣體或液體介質中，經(jīng)常有各 種不同的雜質懸浮著，它們可以是固體 粒子、液體粒子、甚至還有別種氣體粒 子。 n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。 第4講超聲處理 5.2超聲凝聚原理 n當超聲波通過有懸浮粒子的流體介質時， 其中的懸浮粒子開始與介質一起振動， 但由于大小不同的粒子具有不同的相對 振動速度

11、、粒子將會相互碰撞、粘合， 體積和重量均增大。 n其后，由于粒子變大已不能跟隨聲振動 運動了，而只能作無規(guī)則的運動，繼續(xù) 碰撞，粘合、變大，最后沉淀下來。 第4講超聲處理 6 超聲除氣 第4講超聲處理 6.1超聲除氣原理 n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，達到 一定大小后即上升到液體表面。 第4講超聲處理 6.2超聲除氣應用 n清除液態(tài)玻璃中的氣體 n把熔化的玻璃溫度維持在1350C，然后在冷 卻時用超聲照射30分鐘即可達到除氣的目的。 此方法被用于制造

12、結構完全均勻的光學玻璃 的工藝過程中。 n超聲除氣可用于對液態(tài)金屬的除氣 第4講超聲處理 6.2超聲除氣應用 n在感光化工中得到應用。 n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 片質量造成很大的影響。 n超聲作用：用超聲在彩色涂片流水線中對流動著的乳劑進 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。 第4講超聲處理

13、7 超聲疲勞試驗 第4講超聲處理 7.1 基本概念 n金屬材料承受重復或交變載荷而不破壞 的能力，就稱為該材料的疲勞強度或耐 疲勞強度。 n金屬材料的疲勞強度不僅與材料的性質 有關，而且與許多工藝因素，結構和使 用因素有關。材料的疲勞強度都是通過 試驗來確定的。 第4講超聲處理 7.1 基本概念 n通常，材料的疲勞強度是以在使用應力 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。 n材料的使用壽命越長，進行疲勞試驗所 需的時間就越長，另一方面為了取得可 靠的結果，實驗往往需要重復，所需時 間就更長。超聲疲勞試驗在這方面顯示 出優(yōu)點。 第4講超聲處理 7.2 常規(guī)疲勞試驗的缺點

14、 n常規(guī)的疲勞試驗是在專用的試驗機上進 行的，其頻率范圍一般在25200Hz的 范圍內(nèi)。 n確定疲勞強度需要的時間很長，且試驗 成本較高 。 n很難測試高速或高頻振動狀態(tài)下，材料 的壽命。 第4講超聲處理 7.3 超聲疲勞試驗的優(yōu)點 n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度。特 別是可以確定高速振動狀態(tài)下材料的疲 勞強度。 第4講超聲處理 7.4 超聲疲勞試驗的原理 n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力。 n改變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 力。 第4講超聲處理

15、 7.4 超聲疲勞試驗裝置 n在試件的中部，應變 達到了 一個高峰，這 也就是將發(fā)生疲勞斷 裂之處。當進行疲勞 試驗時，試件被激勵 至適當?shù)膽兗?，?同時記錄其所經(jīng)歷的 破壞周期數(shù)。 n在一個適當?shù)膽兎?圍內(nèi)對一定數(shù)目的試 件重復進行試驗，就 能得到繪制材料疲勞 曲線的必要數(shù)據(jù)。 第4講超聲處理 7.4 超聲疲勞試驗條件 n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，進行疲勞試驗的 材料一般都要作成具有一定形狀的試件。 第4講超聲處理 8 超聲淬火 第4講超聲處理 8.1 基本概念

16、n淬火：淬火：熱處理工藝中應用最廣的工序， 它在材料強韌化過程中起關鍵性的作用。 n超聲淬火：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 質中引入超聲振動，可提高介質的冷卻 速度和改善材料淬火的性能指標。 第4講超聲處理 8.2 超聲淬火裝置 n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，前者的淬火介質有超聲作 用，而后者的介質中無超聲作用。 第4講超聲處理 8.3 超聲淬火原理 n在有相變的介質(水、油等)中進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。 n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

17、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。 n超聲淬火：則出于超聲在液體介質中產(chǎn)生空化效應， 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 淬火介質的冷卻特性。 第4講超聲處理 9 超聲加速過濾 第4講超聲處理 9.2 超聲加速過濾裝置 n有曾研究過孔徑由 幾微米到100微米 的燒結銅、不銹鋼 過濾器，都能加快 過濾速度。在過濾 臟馬達油和煤懸浮 液時，加以超聲振 動能大大提高過濾 速度。 第4講超聲處理 10 超聲細化晶粒 n背景：超聲對結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構的影響。 n強超