冰射流中的冰粒制备技术

　　冰射流技术的研究早在20世纪80年代就已开始,相比于传统的磨料水射流,该技术所具有的“三无”(无磨料废弃物、无加工残留物及对清洗基体表面无力学损伤^[1])特点,使其被誉为环境友好的“绿色”加工方法.在半导体感光材料的表面清洗、核反应废料的处理和表面脱漆、除锈以及生物医药等行业中,都有着广泛的应用.然而,由于冰粒不同于普通的磨料颗粒,即冰粒只能在特定的温度条件下稳定存在,所以,冰粒的快速、稳定和连续的制取就构成了冰射流技术的关键.

　　冰粒的制取主要有3种方法:①大冰块物理破碎法,如Galecki和Vickers通过冰块破碎的方法制取出直径为3mm的冰粒, E.Geskin借助麻花钻的机械结构稳定连续地制取出直径小于3mm的冰粒;②真空速冷法,如Yoon PyoLee使用真空速冷的原理制取出直径小于500μm的小冰粒^[2];③制冷剂直接接触冷冻法,如MasuoTadaYao依靠液氮与雾化后的水滴直接接触冷却方式制取微小冰粒^[3].以上制取实例中,主要存在制取冰粒尺寸较大(如第1种方法)、冰粒温度偏高(如前2种方法)和制取效率偏低的缺点.为了弥补以上制取冰粒方法的不足,满足冰射流技术中冰粒体积小(粒径达到500μm甚至更小)、温度低(-30°C以下)的要求^[4],开展了以下低温微细冰粒制取的研究工作.

　　1 冰的基本物理特性

　　冰粒的基本物理特性直接关系到冰射流的工作特性以及冰粒输送的稳定性.这些特性主要包括:冰粒的硬度与温度的关系、冰粒之间黏结力与温度的关系.冰粒的莫氏硬度随冰粒的温度下降先是增大(约-65°C时达到最大),而后减小,到-85°C时又开始增大,大约-93°C,硬度不再随温度改变而变化,接近于一个常数(图1)^[5].冰粒间的黏结力是导致冰粒黏结成块的主要因素,为了克服冰粒在制取及输送过程中的结块问题,必须掌握冰粒间黏结力的特性.由图2^[6]可以看出,随着冰粒温度的降低,其相互间的黏结力会迅速减小,冰粒的温度降到-30°C以下时,黏结力几乎为0.

　　2 冰粒形成的热力学分析

　　经过雾化喷嘴喷出的液滴,由于体积很小和液滴表面张力的作用,其形状可近似看作球状.当球状液滴在低温环境中下落时的传热过程包括:液滴表面以对流方式向低温环境散热,液滴内部则以导热方式将热量向液滴表面传递.液滴的结晶过程则包括显热阶段、潜热阶段和完全冻结3个阶段,如图3所示.其中潜热结冰相变阶段的机理较为复杂,下面将分析其传热关系,即0°C的液滴凝固为0°C的冰粒的过程,结冰模型如图4所示^[7].液滴与外界低温气体的强烈对流换热,使得液滴表面首先发生相变结冰.随后,内部液态水的热量通过导热方式传递给外层的冰,最终释放给外界低温气体,使得相变过程向液滴的核心发展,最终形成冰粒.