第4讲_超声处理

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1、第4讲：超声处理,何为超声处理？,超声处理：是指利用超声能量使物质的一些物理、化学、和生物特性或状态发生变化，或者使这种变化速度加快的处理过程。前面所述的超声清洗、焊接和加工应用都属于超声处理。 本次课介绍应用面较窄的超声处理技术。,主要内容,超声雾化 超声搪锡 超声粉碎 超声乳化 超声凝聚 超声除气,主要内容,超声疲劳试验 超声淬火 超声加速过滤 超声细化晶粒 超声腐蚀处理,1 超声雾化,1.1 基本概念,超声雾化：超声雾化是指在超声的作用下，液体在气相中分散而形成微细雾滴的过程。 雾滴平均直径与频率：频率高则雾滴小 雾化速度与超声强度：强度大则雾量多 其它因素：液体本身的表面张力、密度、粘

2、度、蒸汽压、温度等对液体的雾化也有一定的影响。,1.2 超声雾化优点,雾滴的大小和密度能够独立控制，而这是其它他常用来产生微小雾滴的技术所不能做到的。 例如在气流雾化中，减小雾化颗粒，必须增大气流，这只能牺牲雾的密度。,1.3 超声雾化装置（1）,高频(0.8-5MHz)应用的装置：液体喷泉成雾，产生液滴的直径为15m，可用于医疗等方面。,1.3 超声雾化装置（2）,采用磁致缩换能器可直接在其辐射面形成雾滴，它要求功率大，因此一般在换能器辐射端再加一个变幅杆，以放大位移振幅，使其易于产生雾滴。液体的入口位于变幅杆的位移节点处。,1.4 调节雾滴大小的装置,在液体喷出的变幅杆端头安装一个金属阀块

3、，当变幅杆作纵向振动处于收缩的半周时，则在阀块与变幅杆表面间形成一微小空隙，并被流入的液体充满，而到纵振动伸张的半周，这个空隙又逐湘变小一直到无。同时液体被挤出形成微小液滴。 通过调整外加于阀块上压力的大小，可改变液滴的大小。当然这只是影响液滴大小的因素之一，实际上，超声振动的诸参量均影响液滴的大小。,1.5 超声雾化机理,空化理论：空化泡闭合时产生的微激波而引起雾化 ； 表面张力波理论：表面张力波在它的波峰处产生雾滴，其大小与波长成正比；,1.5 超声雾化机理,空化表面张力波理论：微激波有限振幅表面张力波可互相作用而形成雾滴，雾滴直径可由下式近似计算：,其中：式中T为液体的表面张力系数， 为

4、液体的密度，f 为声振动频率，0.3,1.5 超声雾化机理,超声频率和雾滴直径的关系 ：,1.5 超声雾化机理,超声雾化的实验检验 ： 一种是高速摄影，用此方法可以详细研究雾滴的形成过程; 另一种方法是通过雾化了的石蜡或金属，因为这些物质的雾滴在空中飞行期间会很快凝固，把凝固的颗粒收集起来即可测量其大小。,1.6 超声雾化应用,医用吸入超声雾化器 鼻、咽喉、肺部治疗 肺部同位素诊断，优点：剂量小 家用超声加湿器 超声雾化还可用于燃料油的雾化，使得燃油燃烧更充分，节约能源,1.6 超声雾化应用,制取金属粉末 把熔化了的金属通过超声振动使其雾化，然后雾滴状的金属微粒在空气中冷却凝固后下落，收集起来

5、即为所需制备的金属粉末。 雾滴的大小与超声的参量有关，同时也与熔化金属的物理性质有关。 在工业上用于制造金属粉末，尤其是适用于制造易延展和软而低熔点金属材料的粉末，如锌、铝等粉末。,2 超声搪锡,原理：在容器中的锡被加热熔解成液态锡后，在锡液中引入超声，将金属件插人锡液中，由于锡液中超声空化所产生的力效应能除去浸在其中金属表面的氧化物，而搪上一层锡，这就是超声搪锡的基本原理。 应用：铝件表面要搪上一层锡是很困难的，因为铝表面的氧化层很难除去，即使除去也很快氧化 ，而用超声却可以比较容易地解决这一问题 。,3 超声粉碎,3.1 超声粉碎基本概念,在超声的作用下，使液体中的固体颗粒或生物组织等破碎

6、的过程叫超声粉碎。超声粉碎在化工、医药、生物等领域有较多的应用。,3.2 超声粉碎的关键部件,超声粉碎需要较大的位移振幅，因此在换能器辐射端都接有变幅杆，有时接多级变幅杆。变幅杆的形式是多种多样的，根据粉碎对象的不同而异 。 举例：小端直径为3mm。该变幅杆一般用于小容器处理，小容器的容积一般在0.520ml之间。,3.3 超声粉碎装置举例,可同时处理两种不问物质并进行混合的装置。 在变幅杆的振动节点位置设计有两个进口，两种待处理的材料分别由此二口输入，经过粉碎、混合在一起后，由变幅杆的出口喷入收集器内。,3.4 超声粉碎缺点,超声粉碎一般采用较低的超声振动频率、较高的声强度，因此噪声是比较大

7、的。为了降低噪声对周围环境的影响，有些超声粉碎是在特制的消声箱中进行的 。,3.5超声粉碎应用,超声粉碎细胞在生物学的某些研究中有主要意义。在生物组织粉碎方面有人曾把细菌（例如大肠杆菌）粉碎，以提取其中的有用成分。 工业用的二硫化钼的粉末作为润滑剂，细度是它的质量的一个重要指标之一，要求粉末中的微粒要占95%以上。利用超声来粉碎，能得到良好效果。,3.5超声粉碎应用,超声粉碎染料，比一般机械磨碎法所得的颗粒更小、更均匀，特别是不可溶性的矿物染料的粉碎，如士林染料的粉碎，若采用超声技术能够获得以下的染料粒子。可以用来作悬浮体来染色，这不仅能节约染料，还提高了染色质量，染色色质鲜艳，牢度增加。 超

8、声对食品中的可可粉、咖啡粉、巧克力粉的粉碎，以及对矿山矿粉、碎性药品、化工日用产品等的粉碎都有效果。,4 超声乳化,4.1超声乳化基本概念,超声乳化：把两种互不相溶的液体在超声的作用下混合成乳浊液的工艺过程叫超声乳化 。 超声乳化阈值：超声乳化与超声频率和强度有关，在某个强度值以下，乳化不会发生，这个强度值就是超声乳化阈值。 应用：可为农业制取某些农药乳剂，可使油水混合形成乳化液等等,4.2超声乳化装置举例,换能器直径50mm，谐振频率20kHz； 变幅杆把位移振幅放大4倍。,0号柴油掺水混合液进行乳化处理，乳化后液体稳定时间可达一个月。 一方面节约了能源，另一方面也降低了排烟中有害物质的浓度

9、，有利于环保,5 超声凝聚,5.1 超声凝聚的概念,背景：在气体或液体介质中，经常有各种不同的杂质悬浮着，它们可以是固体粒子、液体粒子、甚至还有别种气体粒子。 超声凝聚：在超声的作用下使液体中或气体中的悬浮粒子凝聚、下沉的过程。,5.2超声凝聚原理,当超声波通过有悬浮粒子的流体介质时，其中的悬浮粒子开始与介质一起振动，但由于大小不同的粒子具有不同的相对振动速度、粒子将会相互碰撞、粘合，体积和重量均增大。 其后，由于粒子变大已不能跟随声振动运动了，而只能作无规则的运动，继续碰撞，粘合、变大，最后沉淀下来。,6 超声除气,6.1超声除气原理,在需要除气的液体中输入超声振动，在声波的低压区可使含有液

10、体中的微小气泡释放出来，且与附近的其他气泡合并变成较大的气泡。这些气泡将移动到搅动小的区域，在那里再产生合并，达到一定大小后即上升到液体表面。,6.2超声除气应用,清除液态玻璃中的气体 把熔化的玻璃温度维持在1350C，然后在冷却时用超声照射30分钟即可达到除气的目的。此方法被用于制造结构完全均匀的光学玻璃的工艺过程中。 超声除气可用于对液态金属的除气,6.2超声除气应用,在感光化工中得到应用。 背景：感光材料的彩色乳剂及保持膜明胶，都是粘滞性大、易产生气泡的溶液。溶液中如有气泡存在，对质量影响将会很大。因为带有气泡的乳剂涂在底片上，底片上就会出现一个没有涂上乳剂的白点。胶片拍成电影映在银幕上

11、时，图像要放大240倍，因此，一个针尖大小的白点都会对胶片质量造成很大的影响。 超声作用：用超声在彩色涂片流水线中对流动着的乳剂进行消泡处理，取得了很好的效果，既保证了无气泡，又不影响底片的照像性能，同时可以提高工效、节约能源。,7 超声疲劳试验,7.1 基本概念,金属材料承受重复或交变载荷而不破坏的能力，就称为该材料的疲劳强度或耐疲劳强度。 金属材料的疲劳强度不仅与材料的性质有关，而且与许多工艺因素，结构和使用因素有关。材料的疲劳强度都是通过试验来确定的。,7.1 基本概念,通常，材料的疲劳强度是以在使用应力范围内材料损坏前所承受的振动次数来表示的，该次数即该材料寿命。 材料的使用寿命越长，

12、进行疲劳试验所需的时间就越长，另一方面为了取得可靠的结果，实验往往需要重复，所需时间就更长。超声疲劳试验在这方面显示出优点。,7.2 常规疲劳试验的缺点,常规的疲劳试验是在专用的试验机上进行的，其频率范围一般在25200Hz的范围内。 确定疲劳强度需要的时间很长，且试验成本较高 。 很难测试高速或高频振动状态下，材料的寿命。,7.3 超声疲劳试验的优点,由于超声振动频率很高，因此可以在很短的时间内确定出材料的疲劳强度。特别是可以确定高速振动状态下材料的疲劳强度。,7.4 超声疲劳试验的原理,在超声振动的作用下，使试件与激发力发生谐振，此时，在试件中就会激起变化速率与外激力相等的交变应力。 改变

13、超声振动的振幅就可改变试件振动的振幅:从而可以在试件中获得所需的应力。,7.4 超声疲劳试验装置,在试件的中部，应变达到了 一个高峰，这也就是将发生疲劳断裂之处。当进行疲劳试验时，试件被激励至适当的应变级，并同时记录其所经历的破坏周期数。 在一个适当的应变范围内对一定数目的试件重复进行试验，就能得到绘制材料疲劳曲线的必要数据。,7.4 超声疲劳试验条件,试件的固有频率与振动系统的共振频率必须接近或一致。假如使试件本身也具有一定的应力放大因数则更为有利，因为在此情况下，所需的激励条件可以降低。因此，进行疲劳试验的材料一般都要作成具有一定形状的试件。,8 超声淬火,8.1 基本概念,淬火：热处理工

14、艺中应用最广的工序，它在材料强韧化过程中起关键性的作用。 超声淬火：有超声作用的淬火工艺就称为超声淬火。实验研究证明，在淬火介质中引入超声振动，可提高介质的冷却速度和改善材料淬火的性能指标。,8.2 超声淬火装置,超声淬火与常规淬火在工艺过程上基本相同，唯一的差别是在淬火过程中，前者的淬火介质有超声作用，而后者的介质中无超声作用。,8.3 超声淬火原理,在有相变的介质(水、油等)中进行冷却的淬火过程一般包括膜沸腾、泡沸腾和对流换热三个阶段。 在常规的淬火过程申，高温区的那层气膜是很难破碎的，即使在激烈搅拌条件下，也效果甚微。这就是说，从膜沸腾的第一阶段过渡到泡沸腾的第二阶段是比较缓慢的。 超声

15、淬火：则出于超声在液体介质中产生空化效应，空化泡闭合时产生的微激波可使这种气膜很快破裂，使淬火冷却时序有较大提前，使整个温度区的冷却度明显提高。实际上，这等效于在超声的作用下提高了淬火介质的冷却特性。,9 超声加速过滤,9.1 超声加速过滤应用背景,引人强超声能够强化液体通过多孔媒质时的扩散作用。过滤器长期存在的一个间题是使用过程中逐渐被阻塞而降低过滤速度。实验表明，超声振动能够增加过滤速度，减少滤膜上的沉积物，可以减少过滤器的清洗次数。,9.2 超声加速过滤装置,有曾研究过孔径由几微米到100微米的烧结铜、不锈钢过滤器，都能加快过滤速度。在过滤脏马达油和煤悬浮液时，加以超声振动能大大提高过滤

16、速度。,10 超声细化晶粒,背景：超声对结晶过程的影响有两方面:一是对过饱和溶液晶体生长的影响，另一方面是在金属凝固过程中对晶粒结构的影响。 强超声能加速有机和无机过饱和溶液核晶的形成过程，抑制晶体生长而得到更细更均匀的晶粒。其原因是由于空化使晶团、树枝状晶破碎和分散，使每一个晶体形成许多新的晶核。这一技术曾用于一些药物和材料。 熔融金属在固化过程中进行超声处理会使晶粒变细，改变其中一些物理机械性质，如延伸率、冲击强度和变形特性等。,11 超声腐蚀处理,背景：在石油管部件的抗锈保养方面，作为油管橡胶或塑料包敷前的去锈预处理，超声除锈已得到应用。 应用：可直接将旧轮胎的外层扒去，在覆上一层新橡胶，这样可以大大节省橡胶，降低轮胎制作的成本。,轮胎翻新代表产品,目前以ETREMA公司的产品最为先进，他们研制了6000瓦超声波系统UTS-6000（6kW ULTRASONIC SYSTEM）。UTS-6000产生功率为6000W频率为20kHz的超声，每天24小时连续工作达一星期。UTS-6000系统包括换能器、电驱动、冷却系统，配有变幅杆、波