超声波喷涂及超声波喷头原理

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超声波喷涂或超声喷涂是一种利用超声波雾化技术进行的薄膜涂层沉积工艺。首先将要沉积的涂层材料配置成溶液、溶胶或悬浮液等液体，然后这些液体通过一个被称为超声波喷头的特殊超声波雾化装置雾化成微米级的微小液滴，这些微小液滴再通过一定量的载流气体均匀地沉积在基材表面，从而形成薄膜涂层。对于某些特定的薄膜材料，超声波喷涂可以用气相沉积或溅射等薄膜沉积设备成本的很小的一部分而获得品质相当的薄膜涂层，故此超声喷涂被视为是一种经济且优秀的薄膜沉积工艺。与传统的单流体或二流体喷涂（空气喷涂）相比，超声喷涂具有非常柔和均匀的雾化、不堵塞的喷枪、高度可控的喷雾流量等显著优势，从而获得远高于二流体喷涂的原料利用率（可达4倍以上），更高的均匀度和控制精度、更低的维护成本。下面我们就详细介绍一下 超声波喷涂中的核心部件——超声波喷头。

图1：超声波喷头雾化示意图

超声波喷头，又名超声波喷嘴、超声波喷枪等，是一种基于朗之万换能器原理的超声波雾化装置。将超声波的最大振幅设计在喷头的最前端，液体从喷头后部输送到前端时被前端的高频超声波振荡撕碎成细小的液滴从而形成雾化，之后可再通过一定量的载气将液雾送至被喷涂物体或特定空间中。在不超出限度的情况下，液体雾化量仅由液体的输送量和喷雾头的工作频率决定。超声喷头的雾化依然符合机械波雾化原理，其雾化液滴的大小可参考如下公式:

其中f为超声频率，D_0.5为平均液滴直径，ρ为液体密度，σ为液体张力。由于液体张力与液体粘度有一定关系，且可被超声雾化的液体粘度很有限，一般为30cps以下，故此液体张力可变化的范围很小。同样，液体密度也基本不会有太大差异。所以决定雾化液滴大小的主要因素为超声频率，从公式中可以看出超声频率越高雾化粒径越小，我们可以通过调整超声喷头的超声频率来控制雾化液滴的大小。通过激光粒度仪可测得气溶胶颗粒粒径的分布情况，图2为东方金荣Siansonic超声波喷头与二流体喷头雾化液滴粒径的分布图，我们可以看出超声波喷头的雾化液滴更小且分布更加均匀。

图2：超声波喷头与二流体喷头雾化液滴粒径的分布图

各种各样的涂料、化学试剂、润滑油、颗粒悬浮液等均可被超声波喷头雾化。但是，液体的粘稠度、可混合性、固体含量等均需要被考虑。对于最佳雾化效果，液体粘稠度应在30cps以下，固体含量应低于30%。因为雾化过程受液体膜所产生的运动效果影响，高粘稠度势必造成低雾化量，给应用带来困难。由于高聚合物分子具有高度的内聚力，雾化含有高聚合物分子的液体，即使是在冲淡情况下也是存在问题的。大多时候，固体颗粒混合液是可以被雾化的。因为固体颗粒会分散于雾化颗粒当中。甚至是粗杂的泥浆，在低速传给喷头的情况下也是可以被雾化的。