CN113019824A - 一种基于超声空化的腔体内外壁表面改性方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于超声空化的腔体内外壁表面改性方法及装置，属于超声空化表面改性技术领域，包含装置支撑单元、超声空化单元、工件夹紧单元和冷却液循环单元。利用超声空泡群坍塌产生的微射流和冲击波侵蚀表面形成微米级结构，再由射流投射纳米颗粒至表面并有效锚定，构成纳米‑微米复合结构。解决了传统改性方法成本高昂、污染环境、结合力弱等问题。尤其是可以利用该装置实现小尺寸腔体的表面改性，工艺过程简单，制备的表面性能好。

Description

一种基于超声空化的腔体内外壁表面改性方法及装置
技术领域
本发明属于超声空化表面改性技术领域，尤其涉及一种基于超声空化的腔体内外壁表面改性方法及装置。
背景技术
液体由于超声振动形成压力波，当局部压力降低至饱和气体压力以下时，液体内部产生空泡，即“超声空化”现象。随着超声振动作用的持续，振动端附近产生大量的空泡群。空泡群周期性生长、振荡和坍塌，伴随着高温、高压冲击波和高速微射流等极端现象。在刚性壁面上，空泡群坍塌产生的射流和冲击波会对表面形貌和力学性能造成影响。空泡的产生与液体的空化阈值有关，在实际液体中由于固体及气体杂质的存在，可以通过控制超声振动的频率和振幅对空泡群的周期性运动实现控制。合理利用超声空化可以实现如杀菌、植物萃取、水质净化、击碎结石和性能增强等特殊功能。利用超声空化效应改变材料表面性能是一种有效的方法。
超疏水表面在防腐、减阻、防冰、自清洁、油水分离和微流控等方面有巨大的应用价值。传统的表面改性方法主要有两种：一种是在加工后的微米或纳米级结构上修饰低表面能物质，如水热法、溶剂热处理、光刻、化学刻蚀和激光纹理化等；另一种是堆叠低表面物质构造微米或纳米级结构，如喷涂法、化学气相沉积、溶胶-凝胶法和等离子体处理等。但这些方法存在成本高昂、污染环境、加工效率低和结合力弱等问题。尤其对于小型腔体结构的内壁，表面改性一直是技术难点。目前采用的浸泡法，其改性层与基材的结合力不强，作用有限，需要多次浸泡。因此本发明提出一种基于超声空化的表面改性方法及装置，直接对腔体内壁进行加工，实现小尺寸的腔体结构的高效表面改性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的表面改性方法和装置，以实现小型腔体内壁的改性、提高表面硬度、提高结合强度和环保改性等效果。
为实现上述目的，本发明提供一种基于超声空化的腔体内外壁表面改性装置，其特征在于，至少包含装置支撑单元、超声空化单元、冷却液循环单元和工件夹紧单元。
所述装置支撑单元包括水槽、平台底板、连接件I、支撑柱、连接件II和支撑横梁；所述水槽用于存储冷却液；所述连接件I将支撑柱固定在平台底板上；所述连接件II将支撑横梁固定在支撑柱上。
所述超声空化单元包括电源、变幅杆、电线、超声发生器和发生器支撑座；所述电源为超声波激励装置，可以控制频率、振幅和工作时间；所述变幅杆底面中心设有螺纹孔，用于连接工件夹具；所述电线的两端分别与电源和超声发生器连接；所述发生器支撑座与支撑横梁相连接，用于支撑超声发生器并将其移动至合适的加工位置。
所述冷却液循环单元包括出液管I、压出泵、出液管II、冷却液、冷却液容器、进液管I、压入泵和进液管II；所述出液管I从水槽的上口接出后与压出泵相连接，所述出液管II连接压出泵和冷却液容器，所述进液管I连接冷却液容器和压入泵，所述进液管II从压入泵接出后与水槽的下口相连接，即冷却液下口进上口出。
所述工件夹紧单元包括改性液容器、密封盖、腔体工件、工件夹具、紧固螺丝、连接螺丝、改性液；所述改性液容器置于冷却液中以保证稳定的加工环境；所述密封盖用于将腔体工件密封以选择针对内壁或外壁的加工方式；所述连接螺丝将工件夹具与变幅杆相连接；所述紧固螺丝用于在工件夹具上安装腔体工件，使变幅杆的超声运动传递至工件。
可选地，改性液为二氧化硅乙醇溶液，浓度为0.1wt％～1wt％，优选为0.4wt％～0.6wt％，二氧化硅粒径为10nm～500nm，优选为20nm～50nm，其他改性液可以根据需求自行选用，如氧化锌乙醇溶液、纤维素纳米晶体乙醇溶液等。
进一步，所述由紧固螺丝安装腔体工件的方式有两种：底面改性安装方式用于腔体工件的底面改性或者侧面改性安装方式用于腔体工件的侧面改性。
进一步，所述密封盖未使用时，在腔体工件浸入改性液后，装置可以实现腔体工件内外壁面的改性；当使用密封盖将腔体工件的内腔与改性液隔开时，装置可以实现腔体工件外壁面的改性；当使用密封盖将改性液密封在腔体工件的内腔时，可以实现腔体工件内壁面的改性。
另一方面，本发明提供一种基于超声空化的腔体内外壁表面改性方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、清洗腔体工件，制备均匀的改性液，启动压入泵和压出泵，开始冷却液循环；
步骤二、确定腔体工件的内外壁、外壁或内壁的表面改性方式，确定是否使用密封盖；
步骤三、将腔体工件以底面改性的安装方式固定在变幅杆上；启动电源，在垂直超声振动方向的腔体工件壁面上产生空泡群；空泡坍塌侵蚀壁面形成微米级结构，微射流和冲击波将改性液中的纳米颗粒投射至壁面，在腔体工件的底面形成纳米-微米复合结构；
步骤四、将腔体工件以侧面改性的安装方式固定在变幅杆上；启动电源；在腔体工件的侧面形成纳米-微米复合结构；
步骤五、关闭压入泵和压出泵；取下腔体工件进行清洗、干燥，获得改性的腔体工件。
可选地，步骤一中，腔体工件为金属材料，选自铜合金、铝合金、锌合金、不锈钢或其他合金中的至少一种。
可选地，步骤三中，超声发生器的工作频率为20kHz～500kHz，优选为20kHz～100kHz；变幅杆振动幅值为30μm～120μm，超声发生器的工作时间为5min～120min。
可选地，步骤五中，使用100℃～200℃工作条件的恒温烘箱干燥5min～20min。
与现有的技术相比，本发明取得了以下有益效果：
(1)腔体工件的内外壁面具有优异的超疏水性能；
(2)利用空化效应在表面引起的应变变形或相变实现了硬度强化；
(3)二氧化硅纳米颗粒被空化射流投射并锚定在表面，结合力强；
(4)使用的改性液是蒸馏水、无水乙醇和改性二氧化硅混合液，不会对生态环境造成破坏，属于绿色生产。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构示意图；
图2是本发明实施例局部剖视图；
图3是本发明所述底面改性安装方式的示意图；
图4是本发明所述侧面改性安装方式的示意图；
图5是本发明所述超声空化改性原理示意图；
图6是本发明所述超声空化改性腔体工件内外底面示意图；
图7是本发明所述超声空化改性腔体工件外底面示意图；
图8是本发明所述超声空化改性腔体工件内底面示意图；
其中：
1装置支撑单元
101水槽，102平台底板，103连接件I，104支撑柱，105连接件II，106支撑横梁
2超声空化单元
201电源，202变幅杆，203电线，204超声发生器，205发生器支撑座
3冷却液循环单元
301出液管I，302压出泵，303出液管II，304冷却液，305冷却液容器，306进液管I，307压入泵，308进液管II
4工件夹紧单元
401改性液容器，402密封盖，403腔体工件，404工件夹具，405紧固螺丝，406连接螺丝，407改性液，408空泡群，409微射流，410冲击波，411二氧化硅纳米颗粒，412微米级结构，413纳米-微米复合结构，414腔体工件的壁面
414腔体工件的壁面包括：
414-1外底面I，414-2内底面I，414-3内底面II，414-4外底面II，414-5外侧面I，414-6内侧面I，414-7内侧面II，414-8外侧面II
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终使用相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
以下实施例中的实验方法如无特殊规定，均为常规方法，所涉及的实验试剂及材料如无特殊规定均为常规生化试剂和材料。
实施例1
所述一种基于超声空化的腔体内外壁表面改性装置，包括装置支撑单元1、超声空化单元2、冷却液循环单元3和工件夹紧单元4。
所述装置支撑单元1包括水槽101、平台底板102、连接件I 103、支撑柱104、连接件II 105和支撑横梁106；所述水槽101用于存储冷却液304；所述连接件I 103将支撑柱104固定在平台底板102上；所述连接件II 105将支撑横梁106固定在支撑柱104上。
所述超声空化单元包括电源201、变幅杆202、电线203、超声发生器204和发生器支撑座205；所述电源201为超声波激励装置，可以控制频率、振幅和工作时间；所述变幅杆底面202中心设有螺纹孔，用于连接工件夹具404；所述电线203的两端分别与电源201和超声发生器204连接；所述发生器支撑座205与支撑横梁106相连接，用于支撑超声发生器204并将其移动至合适的加工位置。
所述冷却液循环单元包括出液管I 301、压出泵302、出液管II 303、冷却液304、冷却液容器305、进液管I 306、压入泵307和进液管II 308；所述出液管I 301从水槽101的上口接出后与压出泵302相连接，所述出液管II 303连接压出泵302和冷却液容器305，所述进液管I 306连接冷却液容器305和压入泵307，所述进液管II 308从压入泵307接出后与水槽101的下口相连接，即冷却液下口进上口出。
所述工件夹紧单元包括改性液容器401、密封盖402、腔体工件403、工件夹具404、紧固螺丝405、连接螺丝406、改性液407、408空泡群，409微射流，410冲击波和411二氧化硅纳米颗粒；所述改性液容器401置于冷却液304中以保证稳定的加工环境；所述密封盖402用于将腔体工件403密封以选择针对内壁或外壁的加工方式；所述连接螺丝406将工件夹具404与变幅杆202相连接；所述紧固螺丝405用于在工件夹具404上安装腔体工件403，使变幅杆202的超声运动传递至工件，在垂直超声振动方向的腔体工件的壁面414上出现空泡群408；气泡坍塌产生的微射流409和冲击波410侵蚀壁面形成微米级结构412；在改性液407中气泡坍塌将纳米颗粒投射并锚定至表面形成纳米-微米复合结构413；所述改性液407由二氧化硅纳米颗粒411、蒸馏水和无水乙醇混合搅拌制成。
实施例2
本实施例为紫铜腔体工件内外壁面表面改性的步骤：
步骤一、将尺寸为20mm×20mm×16mm，壁厚为2mm，入口直径为6mm的紫铜腔体工件403用自来水冲洗；将2g的20nm粒径的改性二氧化硅颗粒411加入25mL无水乙醇和25mL蒸馏水混合液中，在300rpm的磁性搅拌器中搅拌5min后得到改性液407，装入改性液容器401；将冷却液304倒入冷却液容器305，启动压出泵302和压入泵307，开始冷却液循环。
步骤二、将腔体工件403由紧固螺丝405以图3所示底面改性的安装方式装夹至工件夹具404；将变幅杆202伸入改性液容器401使腔体工件403完全浸入改性液407；在电源201中设定超声频率为20kHz，振动幅值为40μm，启动电源；15min后，外底面I 414-1，内底面I 414-2，内底面II 414-3，外底面II 414-4均具有纳米-微米复合结构413。
步骤三、取下腔体工件403，再以图4侧面改性的安装方式装夹，再次浸入改性液407并启动电源；15min后，外侧面I 414-5，内侧面I 414-6，内侧面II 414-7，外侧面II414-8均具有纳米-微米复合结构413。
步骤四、关闭压入泵307和压出泵302；使用自来水冲洗腔体工件403，在110℃的恒温烘箱中干燥10min后获得内外壁超疏水的腔体工件。
实施例3
本实施例为黄铜腔体工件外壁面表面改性的步骤：
步骤一、将尺寸为20mm×20mm×16mm，壁厚为2mm，入口直径为6mm的黄铜腔体工件403用自来水冲洗；将2g的20nm粒径的改性二氧化硅颗粒411加入25mL无水乙醇和25mL蒸馏水混合液中，在300rpm的磁性搅拌器中搅拌5min后得到改性液407，装入改性液容器401；将冷却液304倒入冷却液容器305，启动压出泵302和压入泵307，开始冷却液循环。
步骤二、将腔体工件403由密封盖402密封。
步骤三、将腔体工件403由紧固螺丝405以图3所示底面改性的安装方式装夹至工件夹具404；将变幅杆202伸入改性液容器401使得腔体工件403完全浸入改性液407；在电源201中设定超声频率为50kHz，振动幅值为80μm，启动电源；15min后，外底面I 414-1和外底面II 414-4具有纳米-微米复合结构413。
步骤四、取下腔体工件403，再以图4侧面改性的安装方式装夹，再次浸入改性液407并启动电源；15min后，外侧面I 414-5和外侧面II414-8具有纳米-微米复合结构413。
步骤五、关闭压入泵307和压出泵302；使用自来水冲洗腔体工件403，拔出密封盖402，在110℃的恒温烘箱中干燥10min后获得外壁超疏水的腔体工件。
实施例4
本实施例为不锈钢腔体工件内壁面表面改性的步骤：
步骤一、将尺寸为20mm×20mm×16mm，壁厚为2mm，入口直径为6mm的不锈钢腔体工件403用自来水冲洗；将2g的20nm粒径的改性二氧化硅颗粒411加入25mL无水乙醇和25mL蒸馏水混合液中，在300rpm的磁性搅拌器中搅拌5min后得到改性液407；将冷却液304倒入冷却液容器305，启动压出泵302和压入泵307，开始冷却液循环。
步骤二、将改性液407装入腔体工件403并由密封盖402密封；
步骤三、将腔体工件403由紧固螺丝405以图3所示底面改性的安装方式装夹至工件夹具404；将变幅杆202伸入空的改性液容器401；在电源201中设定超声频率为100kHz，振动幅值为80μm，启动电源；30min后，内底面I 414-2和内底面II 414-3具有纳米-微米复合结构413。
步骤四、取下腔体工件403，再以图4侧面改性的安装方式装夹，再次启动电源；30min后，内侧面I 414-6和内侧面II 414-7具有纳米-微米复合结构413。
步骤五、关闭压入泵307和压出泵302；拔出密封盖402，使用自来水冲洗腔体工件403，在110℃的恒温烘箱中干燥10min后获得内壁超疏水的腔体工件。
本说明书实施例的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员来说，可根据以上描述的技术方案及构思，作出各种变化。因此，举凡所属领域技术人员根据本发明构思所修改、等同替换、改进等得到的等同技术手段都应属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于超声空化的腔体内外壁表面改性装置，其特征在于，至少包含装置支撑单元、超声空化单元、冷却液循环单元和工件夹紧单元；
所述装置支撑单元包括水槽、平台底板、连接件I、支撑柱、连接件II和支撑横梁；所述水槽用于存储冷却液；所述连接件I将支撑柱固定在平台底板上；所述连接件II将支撑横梁固定在支撑柱上；
所述超声空化单元包括电源、变幅杆、电线、超声发生器和发生器支撑座；所述电源为超声波激励装置，可以控制频率、振幅和工作时间；所述变幅杆底面中心设有螺纹孔，用于连接工件夹具；所述电线的两端分别与电源和超声发生器连接；所述发生器支撑座与支撑横梁相连接，用于支撑超声发生器并将其移动至合适的加工位置；
所述冷却液循环单元包括出液管I、压出泵、出液管II、冷却液、冷却液容器、进液管I、压入泵和进液管II；所述出液管I从水槽的上口接出后与压出泵相连接，所述出液管II连接压出泵和冷却液容器，所述进液管I连接冷却液容器和压入泵，所述进液管II从压入泵接出后与水槽的下口相连接，即冷却液下口进上口出；
所述工件夹紧单元包括改性液容器、密封盖、腔体工件、工件夹具、紧固螺丝、连接螺丝、改性液；所述改性液容器置于冷却液中以保证稳定的加工环境；所述密封盖用于将腔体工件密封以选择针对内壁或外壁的加工方式；所述连接螺丝将工件夹具与变幅杆相连接；所述紧固螺丝用于在工件夹具上安装腔体工件，使变幅杆的超声运动传递至工件。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声空化的腔体内外壁表面改性装置，其特征在于，所述改性液为二氧化硅乙醇溶液，浓度为0.1wt％～1wt％，二氧化硅粒径为10nm～500nm，也可以是氧化锌乙醇溶液或者纤维素纳米晶体乙醇溶液中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声空化的腔体内外壁表面改性装置，其特征在于，所述由紧固螺丝安装腔体工件的方式有两种：底面改性安装方式用于腔体工件的底面改性或者侧面改性安装方式用于腔体工件的侧面改性。
4.根据权利要求1所述的一种基于超声空化的腔体内外壁表面改性装置，其特征在于，所述密封盖未使用时，在腔体工件浸入改性液后，装置可以实现腔体工件内外壁面的改性；当使用密封盖将腔体工件的内腔与改性液隔开时，装置可以实现腔体工件外壁面的改性；当使用密封盖将改性液密封在腔体工件的内腔时，可以实现腔体工件内壁面的改性。
5.一种基于超声空化的腔体内外壁表面改性方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、清洗腔体工件，制备均匀的改性液，启动压入泵和压出泵，开始冷却液循环；
步骤二、确定腔体工具的内外壁、外壁或内壁的表面改性方式，确定是否使用密封盖；
步骤三、将腔体工件以底面改性的安装方式固定在变幅杆上，启动电源，在垂直超声振动方向的腔体工件壁面上产生空泡群，空泡坍塌侵蚀壁面形成微米级结构，微射流和冲击波将改性液中的纳米颗粒投射至壁面，在腔体工件的底面形成纳米-微米复合结构；
步骤四、将腔体工件以侧面改性的安装方式固定在变幅杆上，启动电源，在腔体工件的侧面形成纳米-微米复合结构；
步骤五、关闭压入泵和压出泵，取下腔体工件进行清洗、干燥，获得改性的腔体工件。
6.根据权利要求5所述的一种基于超声空化的腔体内外壁表面改性方法，其特征在于，所述腔体工件为金属材料，选自铜合金、铝合金、锌合金、不锈钢或其他合金中的至少一种。
7.根据权利要求5所述的一种基于超声空化的腔体内外壁表面改性方法，其特征在于，所述超声发生器的工作频率为20kHz～500kHz；变幅杆振动幅值为30μm～120μm；超声发生器的工作时间为5min～120min。
8.根据权利要求5所述的一种基于超声空化的腔体内外壁表面改性方法，其特征在于，使用100℃～200℃工作条件的恒温烘箱干燥5min～20min。
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