超声雾化系统的雾化性能测试

　　1　引言

　　超声雾化技术广泛应用于空气加湿、农业喷药、药剂雾化治疗、半导体刻蚀、电子产品盐雾试验以及光谱分析等方面。近年来,以超声雾化为代表的气溶胶制备材料技术如喷雾干燥、喷雾热解[1,2]、液相气相化学沉积[3]以及熔融液滴沉积[4]等,日益引起人们的关注。在实验室中,采用超声雾化为基础的材料制备技术已制备出各种组分和形态的材料,包括粉体、薄膜、涂层、纤维以及纳米复合材料等;在工业应用上,主要集中在用于制备SiO2、TiO2以及Al2O3等材料上,在制备电子陶瓷薄膜和粉体、光学材料、贵金属及其他材料方面也显示较明显优势[5]。超声雾化所产生液滴的大小及其粒径分布对所制备材料的性能影响很大[6],但很多的研究主要集中在材料制备上,而对超声雾化性能的影响研究较少。本文建立了用于高温等离子体气化沉积的超声雾化先体溶液输运系统,并研究了该系统的超声雾化性能。

　　2　超声雾化原理和装置

　　超声雾化原理是利用超声换能器产生的超声波通过雾化介质传播,在气液界面处形成表面张力波,由于超声空化作用而使液体分子作用力破坏,从液体表面脱出形成雾滴,从而液体被雾化为气溶胶状态。超声雾化产生的液滴喷射速度低,可制得分散均匀的2～4μm级液滴,而且液滴的初始速度几乎为零,所需载气的流量小,容易产生高浓度细小的液滴流,有利于输运和沉积[6,7]。

　　本工作所用的超声雾化装置是自行研制的高温等离子体雾相气化沉积薄膜系统的一部分,用于将液态先体溶液超声雾化为液滴,再用载气将雾滴输运到高温等离子体中,先体经高温气化后,在基片上沉积生成薄膜。超声雾化装置如图1所示。该装置包括超声发生器、雾化瓶以及循环冷却水系统。其中超声发生器(HM-660, Grecity)的振动频率为1.67MHz,雾化功率为40W。雾化瓶直径为50mm,高70mm,采用声阻抗率与水较接近的有机玻璃瓶,减小由于两者声阻抗率相差较大而在水与瓶底界面发生的超声波反射损失,以让大部分超声波能量透射进入雾化瓶中,雾化溶液。采用低流量泵使雾化池中的水不断循环冷却,避免由于雾化水温度升高而影响雾化速率。所产生的雾滴用氧气作为载气,通过内径为6mm的聚乙烯管输运,载气流量用质量流量控制器(D07,北京建中机器厂)测量和控制。

　　用激光粒度仪(BI-90,Brook Havern)测量了超声雾化产生水液滴的粒径;采用称量法测量了雾化前后雾化溶液的减少量及输运管路中液体的增加量,由此分别计算了平均雾化速率和管路输运损失;研究了雾化溶液加入量、超声雾化功率、载气流量及先体类型对雾化速率的影响,并研究了雾化参数对雾滴在1m长输运管路中的输运损失的影响。