空化作用

空化作用超声波空化作用，就是指液体中的微小气泡核在超声波作用下产生振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、闭合、振荡等一系列动力学过程称超声波空化。形成液体介质中由于涡流或超声波的物理作用，液体中的某一区域会形成局部的暂时的负压区，于是在液体介质中产生空化气泡，简称为空穴或气泡。一定强度的超声波的作用下，液体介质产生的空化气泡，可分为四种类型：接近真空的气泡、含蒸气的气泡、含气体的气泡、蒸气的空化气泡。根据空化气泡的热力学稳定性，空化气泡还可以分为亚稳气泡和稳定气泡。接近真空的气泡和含蒸气的空化气泡是亚稳气泡，一般认为是在强度超过10W/cm2的超声被作用下而产生的；而稳定气泡则是在较低强度(2W/cm2）的超声波作用下所产生的，主要是一些含有气体的空化气泡以及含有气体和蒸气的空化气泡。空化气泡在超声场的作用下会发生振动，但并不一定就发生溃陷，只有当超声波的频率小子空化气泡振动频率时才会使空化气泡溃陷；反之，当超声波的频率超过空化气泡的振动频率时，空化气泡会进行更为复杂的振动，而不会发生溃陷。特点空化气泡一旦形成，既有可能重新溶解到液体介质中去，又有可能上浮而消失，或由于空化气泡自身大小的原因，在超声震荡的超声场中随着超声场的相位变化而长大和压缩。由于超声场是均匀的，在被体介质中间的空化气泡溃陷过程中保持球形。当液体介质中的微粒太小而不能够紊扰趣声场时，就会形成射流束，这时液体介质中的气泡也是球形溃陷的。当空化气泡靠近固体的界面处时，固体表面上的空化气泡则发生不对称溃陷，产生直射向固体表面的射流束。由于溃陷气泡的大部分能由被转化为射流束的动能，使得射流束的速度高达每小时400km。也即射流束以近乎团体所能承受的力冲击固体表面，这样在固体的表面发生洗涤和孔蚀作用，故也称空化作用为孔蚀作用，这就是进行超声清洗、固-液反应或催化反应等的基础之所在。空化作用气泡的寿命约0.1μs，它在急剧崩溃时可释放出巨大的能量，并产生速度约为110m/s、有强大冲击力的微射流，使碰撞密度高达1.5kg/cm2。空化作用气泡在急剧崩溃的瞬间产生局部高温高压（5000K，1800atm），冷却速度可达109K/s。超声波这种空化作用大大提高非均相反应速率，实现非均相反应物间的均匀混合，加速反应物和产物的扩散，促进固体新相的形成，控制颗粒的尺寸和分布。影响因素超声波空化作用的强弱与声学参数以及液体的物理化学性质有关。超声波强度：超声波强度指单位面积上的超声功率，空化作用的产生与超声波强度有关。对于一般液体超声波强度增加时，空化强度增大，但达到一定值后，空化趋于饱和，此时再增加超声波强度则会产生大量元用气泡，从而增加了做射衰减，降低了空化强度。超声波频率：超声波频率越低，在液体中产生空化越容易。也就是说要引起空化，频率愈高，所需要的声强愈大。要在水中产生空化，超声波频率在400kHz时所需要的功率要比在10kHz时大10倍，即空化是随着频率的升高而降低。一般采用的频率范围20--40kHz。液体的表面张力与黏滞系数：液体的表面张力越大，空化强度越高，越不易于产生空化。黏滞系数大的液体难以产生空化泡，而且传播过程中损失也大，因此同样不易产生空化。液体的温度：液体温度越高，对空化的产生越有利，但是温度过高时，气泡中蒸气压增大，因此气泡闭合时增强了缓冲作用而使空化减弱。现状超声空化所引发的物理、机械、热效应、生物效应、化学效应等在工业上具有广阔的应用潜力。国内外学者在超声空化研究过程中认识到，空化必须在一定条件下才能发生，空化有一个阈值，它与超声波频率、波形、声压大小、介质温度、压力、黏度、含气量等因素有关。然而对空化的本质还需要深入地进行研究。对空化强度还不能定量地测量，空化所造成的高温、高压也很难以确切的数字表达出来。空化后介质的力学、声学、热学、光学、电学性质的变化还不十分清楚，尤其在超声治疗中，生物体内是否有空化也尚未定论。空化阈空化阈是使液体介质产生空化作用的最低声强或声压振幅。只有当交变声压幅大于静压力，才能出现负压。而只有当负压超过液体介质的黏度时，才会产生空化作用。空化阈随不同的液体介质而不同，对于同一液体介质，不同的温度、压力、空化核的半径以及含气量，空化阈值也不同。一般来说，液体介质含气量越少，空化阈就越高。空化阈还与液体介质的黏滞性有关，液体介质的黏度越大，空化阔也越高。空化阈与超声波的频率有着十分密切的关系，超声波的频率越高，空化阈也越高。超声波的频率越高，越难空化，要产生空化作用，就必须增加超声波的强度。影响因素1.超声波的空化作用由空化阂决定，空化阂又由许多因素有关，主要有以前几点。2.空化阂与工作频率有关。频率越高，空化阈值越高，产生空化越难。3.气泡在声场的作用下将进行振动，但不一定发生破灭，只有当声波的频率低于气泡的谐振频率时才可能使气泡破灭。当声波频率高于气泡的谐振频率时，气泡只进行复杂的振动，一般发生气泡破灭。4.空化阔与介质中气泡半径有关，半径愈小，空化阈愈离。5.空化阈与声波作用时间长短有关，声波辐射时间愈长空化阈愈低。6.空化阈与环境静压力有关，静压力愈大，空化阈愈高。7.空化阈与介质的粘滞性有关，粘度大，表面张力大，空化阈高。8.空化|阈与液体含气量有关，含气量愈少，空化阈愈高。9.空化阈与清洗液温度有关，清优液温度升高，对空化有利。但温度过高时，气泡中蒸气压增大，在气泡闭合期增强了缓冲作用而使空化减弱。温度还与清洗液的溶解度有关。对于水清洗液较适宜的温度约60C。