[发明专利]一种基于超声空化的腔体内外壁表面改性方法及装置

说明书

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。

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。