中國(guó)粉體網(wǎng)訊 超聲霧化法作為一種新型的霧化技術(shù)，通過與超聲工具頭直接或間接接觸的方式，將超聲波的能量傳遞給待霧化液體并進(jìn)行破碎。這種制粉技術(shù)能夠得到球形度較好且粒度分布較窄的球形金屬粉末，同時(shí)還具有設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單、可控性高、成本低的顯著優(yōu)勢(shì)。
超聲霧化技術(shù)分為接觸式超聲霧化和非接觸式超聲霧化。
接觸式超聲霧化技術(shù)
原理：基于超聲原理對(duì)金屬熔融液體進(jìn)行霧化的機(jī)理主要基于Kelvin提出的表面張力波理論。這種理論認(rèn)為，當(dāng)外界給予液體能量時(shí)，能量集中在液-氣表面并形成不穩(wěn)定的張力波，當(dāng)這種能量達(dá)到能夠使液-氣表面的振動(dòng)振幅超出臨界值時(shí)，液滴將會(huì)克服液體的表面張力，由波峰處分離形成霧化液滴。在實(shí)際霧化時(shí)，往往會(huì)在振動(dòng)的過程中使液體產(chǎn)生強(qiáng)烈的空化效應(yīng)，對(duì)表面張力波的幅值產(chǎn)生周期性的擾動(dòng)；同時(shí)空化氣泡形成時(shí)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的微激波，一旦兩種機(jī)理的綜合效應(yīng)使液體達(dá)到霧化的臨界值，液體便會(huì)被霧化。
接觸式超聲霧化裝置將待霧化的液體直接輸入至超聲換能器的工具頭表面，使其形成薄液層，薄液層在超聲振動(dòng)的作用下激起表面張力波，當(dāng)液體表層液滴振幅超過工具頭振幅時(shí)，液滴便會(huì)飛出，被霧化成小液滴，如下圖所示。霧化過程中，薄液層厚度的大小對(duì)霧化效果的影響很大，這就限制了待霧化液體的質(zhì)量流速，且限制了霧化速率的提高。
接觸式超聲霧化制粉工藝原理示意圖
非接觸式超聲霧化技術(shù)
用于微米級(jí)高性能球形金屬細(xì)粉制備的非接觸式的超聲霧化裝置主要應(yīng)用的是超聲駐波霧化技術(shù)(USWA)。超聲駐波場(chǎng)的形成是利用超聲換能器工具頭高頻振動(dòng)形成的入射波和在距其半波長(zhǎng)整數(shù)倍處端面形成的反射波多次疊加而成的，非接觸式霧化主要是將待霧化液體輸入至超聲駐波場(chǎng)的聲壓節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行霧化，如下圖所示。液體在聲場(chǎng)中的破碎很大程度上決定于聲場(chǎng)聲壓級(jí)和速度場(chǎng)的分布。
超聲駐波聲場(chǎng)示意圖
USWA起源于超聲駐波懸浮技術(shù)，這種非接觸式霧化的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)⒛芰考性谛》秶鷥?nèi)，從而提高單位體積能量強(qiáng)度的利用率，例如生產(chǎn)d=10μm的1 kg錫粉所需能量只有0.5 kW左右(不包括金屬熔化所需能量);同時(shí)，這種超強(qiáng)聚集的性能使得USWA技術(shù)即使是從較高表面張力的金屬溶液或者高粘度液體中，也可以高效率地霧化出粉末粒徑小于10μm的超細(xì)粉末。
超聲霧化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望
作為一種工藝參數(shù)嚴(yán)格可控的霧化方法，超聲霧化技術(shù)的發(fā)展在生產(chǎn)粒度可控、球形度好、純度高的金屬粉末中具有極其重要的意義。
目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)超聲霧化法制備金屬微粉的研究以德國(guó)和日本的接觸式超聲霧化裝置為主，在生產(chǎn)粒徑小于20μm的高球形度無(wú)粘連金屬粉末的應(yīng)用上具有很大的優(yōu)勢(shì)。但是該霧化方法在生產(chǎn)高熔點(diǎn)以及高腐蝕性金屬粉末方面有很大的限制，其主要原因?yàn)椋?br/>
一是待霧化熔融金屬與超聲工具頭直接接觸，會(huì)導(dǎo)致制備的金屬粉末不純凈，抗污染性與抗氧化性較弱；二是熔融金屬對(duì)超聲工具頭的腐蝕會(huì)影響超聲裝置的壽命；三是高性能金屬粉末對(duì)熔融金屬的霧化和凝固過程具有較高的條件限制，使得接觸式超聲霧化裝置在霧化過程中需要對(duì)工具頭加熱以保持其溫度穩(wěn)定在可控范圍，這就會(huì)在一定程度上導(dǎo)致聲學(xué)特性的改變。因此，對(duì)非接觸式超聲霧化技術(shù)的研究十分必要。
美國(guó)、德國(guó)、日本在相關(guān)領(lǐng)域的研究較為先進(jìn)，并且對(duì)國(guó)內(nèi)實(shí)行技術(shù)封鎖；我國(guó)對(duì)于微細(xì)球形金屬粉體的生產(chǎn)仍然停留在水氣霧化以及接觸式超聲霧化階段。對(duì)于USWA技術(shù)的研究，目前沒有較為成熟的研究成果，尤其是對(duì)于超聲駐波霧化的霧化機(jī)理和相關(guān)裝備的研究仍處于探索階段。鑒于在生產(chǎn)高熔點(diǎn)、高粘度、細(xì)粒度金屬粉末領(lǐng)域的較高優(yōu)勢(shì)，未來(lái)這種技術(shù)的發(fā)展勢(shì)必會(huì)有廣闊的市場(chǎng)前景。
資料來(lái)源：超聲霧化制備高性能球形金屬微粉的研究進(jìn)展，高勝東等，材料導(dǎo)報(bào)2020
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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