兆赫超声分散系统的设计及试验研究

论文摘要

区别于传统超声波分散,本文提出了浴槽式脉冲兆赫超声分散技术,即采用大功率高频兆赫超声换能器,在液体介质中产生高速、强辐射声流能来进行材料分散,同时有效抑制传统超声处理中无法避免的因过度空化而造成的材料损伤。该技术将超声技术、先进制造技术和材料科学结合起来,为材料分散提供新的技术手段。它具有能量可控性好、成本低、安全环保和应用范围广等优点,将在材料分散和制备领域拥有广阔的应用前景。本文主要研究内容如下:1.从声空化、空化气泡运动学、声流等方面对兆赫超声分散的作用机理进行了探讨。从理论上证明了当超声频率提高至600kHz以上时,声场内的空化阈值提高、可闭合空化气泡数减小,从而有效抑制了空化损伤。同时,初步探讨了兆赫超声分散系统的能量转化过程,分析了兆赫声场中的高速、强辐射声流能以及高频振荡作为材料分散主要动力的理论条件和作用机理。2.设计制作了单阵元换能器,总结了设计、制作换能器的工艺流程。设计制作了兆赫逆变电源,利用电力分析仪监测了兆赫逆变电源的输入、输出波形。3.应用兆赫超声分散技术进行了纳米材料分散试验。利用该方法对PZT纳米颗粒进行了分散试验。利用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪等仪器对分散效果进行了检测和表征,结果表明该技术分散效率高、效果好。4.试验了兆赫超声分散技术用于油包水/水包油乳液制备的效果,制备了反向胶束微反应器和无乳化剂乳浊液。利用工具测量显微镜对所制备乳液的分散性进行了分析,结果显示经兆赫超声精细化分散后的乳液分散性最佳。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 功率超声技术概述
• 1.2 兆赫超声产生方式及其实际应用
• 1.3 分散技术的发展现状
• 1.3.1 纳米颗粒的分散方法
• 1.3.2 液-液分散技术
• 1.3.3 兆赫超声分散
• 1.4 课题来源及其研究意义
• 第二章 兆赫超声分散理论的初步建立
• 2.1 引言
• 2.2 超声波分散的基本理论与空化损伤
• 2.2.1 基于空化的超声分散机理假设
• 2.2.2 空化气泡运动学分析
• 2.2.3 声空化能的理论计算
• 2.2.4 空化损伤的例证
• 2.3 兆赫超声分散机理初探
• 2.3.1 兆赫超声分散机理的假设
• 2.3.2 兆赫超声的声空化理论
• 2.3.3 声流、液面隆起和雾化效应
• 2.4 本章小结
• 第三章 兆赫超声分散系统
• 3.1 引言
• 3.2 兆赫超声换能器的设计
• 3.2.1 超声换能器的性能指标和设计要求
• 3.2.2 兆赫超声换能器结构设计
• 3.2.3 材料及加工工艺过程
• 3.3 兆赫逆变电源的研制
• 3.3.1 逆变基本原理
• 3.3.2 电源总体设计
• 3.3.3 MHz 信号发生器
• 3.3.4 直流-交流变换电路
• 3.3.5 控制方式
• 3.4 本章小结
• 第四章 兆赫超声用于PZT 纳米颗粒分散的试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 纳米材料与PZT 纳米粉末
• 4.2.1 纳米科技与纳米材料
• 4.2.2 PZT 材料的用途
• 4.3 试验方案设计
• 4.3.1 干态机械分散方法
• 4.3.2 兆赫超声法
• 4.4 原料与仪器
• 4.5 试验结果与讨论
• 4.5.1 颗粒的分散与去团聚
• 4.5.2 处理时间的影响
• 4.5.3 XRD 分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 兆赫超声用于乳液制备的试验研究
• 5.1 引言
• 5.1.1 纳米反应容器的定义
• 5.1.2 乳化液的研究进展
• 5.2 反向胶束微反应器制备试验
• 5.2.1 试验方案及参数
• 5.2.2 原料与仪器
• 5.3 试验结果与讨论一
• 5.3.1 磁力搅拌
• 5.3.2 磁力搅拌、兆赫超声复合分散处理
• 5.3.3 纳米反应容器
• 5.4 乳化剂的作用与其必要性
• 5.5 制备无乳化剂乳浊液的试验探索
• 5.5.1 试验方案及参数
• 5.5.2 原料与仪器
• 5.6 试验结果与讨论二
• 5.7 本章小结
• 第六章 研究总结与展望
• 6.1 论文完成的主要工作
• 6.2 后续工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 附录