水介质对超声空蚀纳米生成物形貌的影响_郭诒大.pdf
《水介质对超声空蚀纳米生成物形貌的影响_郭诒大.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《水介质对超声空蚀纳米生成物形貌的影响_郭诒大.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、2023 年 2 月第 48 卷 第 2 期润滑与密封LUBICATION ENGINEEINGFeb.2023Vol.48 No.2DOI:10.3969/j.issn.02540150.2023.02.016文献引用:郭诒大,陈海舰,刘峰斌,等水介质对超声空蚀纳米生成物形貌的影响 J 润滑与密封,2023,48(2):110116Cite as:GUO Yida,CHEN Haijian,LIU Fengbin,et alEffect of water medium on morphology of ultrasonic cavitation nanoproducts J Lu-brica
2、tion Engineering,2023,48(2):110116*基金项目:国家自然科学基金项目(51775044);北京市自然科学基金项目(3204037;3212003)收稿日期:20211123;修回日期:20211218作者简介:郭诒大(1995),男,硕士研究生,研究方向为空蚀机制。Email:951608081 。通信作者:刘峰斌(1974),男,博士,教授,研究方向为表界面理论与控制技术。Email:fbliu 。水介质对超声空蚀纳米生成物形貌的影响*郭诒大1陈海舰1刘峰斌1叶子1周刚2豆照良1司丽娜1(1.北方工业大学机械与材料工程学院北京 100144;2.北京控制工程研
3、究所北京 100094)摘要:为探究水介质下超声空蚀纳米结构的生成机制,研究不同水介质条件下超声空蚀纳米生成物的形貌特征。利用超声振动空蚀实验装置,在 4 种不同水介质中分别对 45 钢样品进行超声空蚀实验,通过激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜对实验后样品表面空蚀纳米生成物形貌进行分析。结果表明:45 钢在不同水介质中空蚀生成的纳米微结构有很大差异;在去离子水和 NaCl 溶液中空蚀坑环状区域纳米结构呈现为不规则絮状结构,在自来水和 Na2SO4溶液中生成的空蚀坑周围形成了纳米多层片状结构;在自来水中,随着超声时间的增加,纳米单层片状结构先是长度方向尺寸增大,后逐渐叠加成纳米多层片状结构,总厚
4、度增大。45 钢在自来水中超声空蚀生成的纳米多层片状结构的尺寸,与实验时间和介质中离子有关,源于空蚀腐蚀耦合作用产生;自来水中的 SO24等离子也为片状纳米层间的组装起到促进作用。关键词:超声空蚀;纳米结构;水介质;微观形貌;微射流中图分类号:TV131.32Effect of Water Medium on Morphology of UltrasonicCavitation NanoproductsGUO Yida1CHEN Haijian1LIU Fengbin1YE Zi1ZHOU Gang2DOU Zhaoliang1Si Lina1(1.School of Mechanical M
5、aterials Engineering,North China University of Technology,Beijing100144,China;2.Beijing Institute of Control Engineering,Beijing 100094,China)Abstract:In order to explore the formation mechanism of ultrasonic cavitation nanostructures in aqueous media,themorphological characteristics of ultrasonic c
6、avitation nanostructures in different aqueous media were studiedBy using theultrasonic vibration cavitation test device,the 45 steel sample was subjected to ultrasonic cavitation experiments in four dif-ferent water mediaThe morphology of cavitation nano products on the sample surface was analyzed b
7、y laser confocal micro-scope and scanning electron microscopeIt is found that the nanostructures of 45 steel produced by cavitation in differentwater media are quite differentIn deionized water and NaCl solution,the nanostructure of the cavitation pits in the ringshaped area appears as an irregular
8、flocculent structure,and the nano multilayer sheet structure is formed around the cavi-tation pits generated in tap water and Na2SO4solutionIn tap water,with the increase of ultrasonic time,the size of nanomonolayer sheet structure first increases in the length direction,and then gradually superimpo
9、ses into nano multilayer sheetstructure,and the total thickness increasesIn conclusion,the size of the nano multilayer sheet structure produced by ultra-sonic cavitation erosion of 45 steel in tap water is related to the experiment time and the ions in the medium,which iscaused by the coupling effec
10、t of cavitation erosioncorrosionAt the same time,SO24and other ions in tap water also con-tribute to the assembly of lamellar nano layersKeywords:ultrasonic cavitation;nanostructures;water medium;micro morphology;microjet空化是液体特有的现象,指在一定温度下,当液体的局部压力下降到临界压力以下时液体发生汽化形成空化气泡的过程。空泡溃灭时会形成强烈的微射流冲击材料表面造成空蚀损伤
11、1。空蚀常常发生在各种流体机械中,如水泵、水轮机、舰船螺旋桨等,造成巨大的经济损失2。伴随着科学技术的发展,科研人员们发现空化在医学治疗3、表面清洁4、污水处理5、纳米材料制备6 等领域有广阔的发展及应用前景。在超声空蚀初生期,空泡溃灭产生的微射流对材料表面强烈的冲击,使材料表面生成大量空蚀坑,是空蚀初生期的典型特征之一。空蚀坑的形貌、大小、深度主要取决于空泡溃灭冲击表面的作用力大小7,也与材质8、距离9、介质10 等条件有密切关系。对空蚀坑的研究将促进对空蚀诱发机制的认识,一直是各国科研人员的研究热点。ABOUELKASEM 等8 研究了 304 不锈钢、黄铜和纯铝 3 种材料在自来水中超声
12、空蚀后表面的空蚀坑,发现由于微射流和冲击波机制的不同而形成 2 种不同形貌的空蚀坑,并根据空蚀颗粒表面检测及基底材料表面滑移带的分析,得到微射流坑的大小和形状不随时间增长而发生改变的结论。KAAB 等10 在蒸馏水、自来水和 3%NaCl 溶液中分别对 1045 碳钢进行纯腐蚀实验和超声空蚀实验,结果发现纯腐蚀坑有不同的形状,但以层状结构为主,坑径大小约 100 m,其中 NaCl 溶液生成的纯腐蚀坑坑径最大,这可能是盐水电导率的提高,形成浓缩电池加强了腐蚀破坏,从而改变了坑的尺寸;另外,由于腐蚀破坏降低材料表面强度,从而加重空蚀破坏效果,使空蚀坑坑径及深度增大。LIU 等11 在蒸馏水、自来
13、水和 3.5%NaCl 溶液中进行了铜合金的超声空蚀实验,发现在 3.5%NaCl 溶液中铜合金的空蚀坑较少,较长时间内以塑性变形为主,这可能是铜合金中的元素如铅与 3.5%NaCl 溶液中的氯离子反应,从而产生一个紧凑的被动膜附着在基体表面,有效阻止空泡溃灭的破坏。LIU 等12 还在不同质量分数的 NaHCO3溶液中进行了铜合金的空蚀实验,结果表明 NaHCO3质量分数较高时空蚀坑的坑径较大且表面产生许多冷裂纹,质量分数较低时空蚀坑能保持小坑径的状态。这是因为碳酸氢钠溶液含量越大,铜合金中 相里的锌元素溶解损失越快,所以促进了铜合金的空蚀。综上,研究人员对空蚀坑形貌的影响因素和影响规律已做
14、了较为系统的研究。然而在空蚀发生时,实际上除了产生空蚀破坏以外,还会在空蚀坑周围生成大量纳米结构13,但这一现象一直未被重视。CHEN等1416 的研究发现,在光学显微镜下,不锈钢和中碳钢在去离子水中生成的空蚀坑周围环状区域呈现彩虹色,并认为彩虹环是空泡溃灭产生的高温氧化造成的。然而,YAN 等17 对碳钢空蚀坑的彩虹环状区域进行高倍扫描电镜观察,发现彩虹环状区域是由纳米结构组成的,并推测该结构是自组装形成的,并提出彩虹颜色与生成的纳米结构有关。本文作者前期的研究进一步证实了 YAN 等17 的发现,确定了碳钢空蚀过程中空蚀坑周围生成大量纳米结构,拉曼结果显示其主要是由 FeOOH 构成。综上
15、所述,不同液体介质对样品表面空蚀坑的形貌有很大影响。但是,已有研究对不同水介质下空蚀生成物的微观结构分析不够深入,对水介质下纳米结构的生成机制尚不清楚。本文作者利用超声空蚀实验装置,对 45 钢样品在不同水介质中进行空蚀实验,对空蚀后样品表面的空蚀纳米结构进行深入分析,研究结果对深入理解水介质下空蚀的发生机制具有理论意义。1实验设计1.1实验装置实验采用超声振动空蚀实验装置,如图 1 所示。装置主要由超声发生器、磁致伸缩换能器、振动头、隔音箱、恒温水槽组成。超声振动频率为(200.5)kHz,振幅为 24 m,变幅杆下端的直径为 20 mm。为减少温度变化对空蚀实验的影响,在恒温水槽内加入冰水
16、混合物对烧杯进行水浴,使用温度探头实时监测水温,以保证实验水温为 25。图 1超声振动空蚀实验装置示意Fig.1Ultrasonic vibration cavitation experimental device1.2实验样品实验材料为 45 钢,其化学成分如表 1 所示。为了便于进行空蚀实验,使用线切割将材料加工成 10 mm10 mm 的圆柱(见图 2),依次使用 240、1112023 年第 2 期郭诒大等:水介质对超声空蚀纳米生成物形貌的影响600、1 000、1 500、2 000 目碳化硅水磨砂纸对样品打磨处理,使用 2.5 m 的金刚石抛光膏对打磨后的样品进行抛光处理,然后用无
17、水乙醇冲洗,吹干后保存在干燥皿中。使用前用无水乙醇超声清洗 5 min。表 145 钢的主要化学成分Table 1Chemical composition of 45 steelElementCSiMnCrNiFeMass fraction w/%042050017037050080025025Bal图 245 钢的样品与尺寸Fig.2Sample and size of 45 steel实验所用去离子水为去离子水机自制,自来水为市政供应的自来水,使用等离子体原子发射光谱仪对其进行了测量,自来水的各离子浓度见表 2。表 2自来水中的各离子浓度Table 2Concentration of io
18、ns in tap waterIonK+Na+Ca2+Mg2+SO24ClConcentrationc/(mgL1)31279341095341251696487031.3空蚀实验及表征首先将打磨抛光好的 45 钢样品使用乙醇超声清洗 5 min,而后固定在样品台中心。实验中样品与振动头距离为 15 mm。在恒温水槽内加入冰水混合物对烧杯进行水浴。实验时超声功率为 480 W,每超声 4s,间歇 4 s。实验分为三组。第一组,介质溶液为去离子水与自来水,总时间 20 min;第二组,介质溶液为按照表 2 自来水中的离子浓度分别配制的 88.6mg/L NaCl 溶液和 171.4 mg/L N
19、a2SO4溶液,总时间20 min;第三组,介质溶液为自来水,时间分别为 1、5、10 和 20 min。在烧杯中分别加入配制好的介质溶液进行空蚀实验,实验结束后取下样品,使用无水乙醇超声清洗 3 min,烘干后将样品保存在干燥皿中。每次实验后,把烧杯、样品台使用去离子水超声清洗3 min,振动头使用去离子水反复冲洗,以减少外界及残留物质的干扰。使用激光共聚焦显微镜观察空蚀后的样品表面形貌,使用扫描电子显微镜观察空蚀坑及周围纳米结构。2结果与讨论2.1去离子水与自来水空蚀形貌图 3 所示为 45 钢在不同介质中空蚀后表面光学显微镜照片和扫描电镜照片。由图 3(a)可见,45钢在去离子水中空蚀后
20、产生空蚀坑,直径约为 10m,周围环状区为明暗相间的彩虹颜色。从其 SEM照片中(见图 3(a)右上)可以看出,该空蚀坑环状区域为不规则的絮状薄片,厚度约为 20 nm。从图3(b)中可以看出,45 钢在自来水中空蚀后产生的空蚀坑,中心蚀坑直径约为 10 m,蚀坑周围彩色环状区域的直径约为 40 m,远大于去离子水组。环状区域由内到外分为 3 层,靠近蚀坑的最内侧区域为红棕色,稍远区域呈现由内向外变浅的蓝色,最外层呈现为褐色。环状区域是由于空泡溃灭产生的高温热效应导致周围区域氧化,颜色及深浅程度不同是因为高温氧化程度的不同18。从自来水组 SEM 照片中(见图 3(b)右上)可以观察到,空蚀坑
21、在微观形貌上与去离子水组有很大差别,空蚀坑最外侧为褐色环状区域,由不规则的纳米薄片构成,这些薄片平铺在样品表面,薄片上还分布着细小的裂纹。靠近蚀坑的最内侧区域(见图 3(b)右下),由规则的纳米片状结构无序堆积组成,纳米片的厚度约为 200 nm,长度约为 500 nm,大多垂直样品表面。对纳米片进一步放大(见图 3(c),可以发现纳米片是由一层层更小的纳米片叠加组成。去离子水中生成的絮状结构,可能是空泡溃灭形成的微射流冲击样品表面导致样品破裂生成许多小碎片,伴随着空泡溃灭的高温热效应使这些小碎片快速熔化再结晶形成了絮状薄片9,18。由表 1 可知,在自来水中含有多种离子,区别于去离子水,离子
22、的存在会对样品产生腐蚀19。YAN 等17 在钢浸泡自来水腐蚀实验中,发现了类似的纳米薄片结构。所以文中可以推断,腐蚀参与到空蚀过程中,并对空蚀产生一定影响,产生空蚀腐蚀联合效应。由于离子存在,在211润滑与密封第 48 卷高温作用下不再生成絮状结构,而是让纳米薄片聚集生长为纳米多层片状结构9,20。空蚀坑最外层不规则的纳米薄片区域距离中心蚀坑较远,缺少高温热效应,所以没有聚集生长。图 345 钢在不同介质中空蚀后表面光学显微镜照片和扫描电镜照片(嵌入)Fig.3Optical microscope photos and SEM photos(embedded)of the surface o
23、f 45 steel after cavitationerosion in different media:(a)deionized water;(b)tap water;(c)tap water(high magnification)自来水中产生的空蚀坑周围会形成特殊的纳米多层片状结构,这是在去离子水中没有的。自来水中含有多种离子,其中阴离子 SO24和 Cl离子浓度最大,这有可能是诱发纳米多层片状结构生成的原因。所以为了探究纳米多层片状的生成机制,文中在 Na2SO4和 NaCl 溶液中对 45 钢样品进行了超声空蚀实验。2.2不同离子水溶液空蚀形貌图 4(a)、(b)所示为 45 钢在
24、NaCl 溶液中形成的空蚀坑周围纳米结构的微观形貌,与去离子水相比(见图 3(a),形成的纳米结构也为密集的絮状薄片结构,没有明显的变化,Cl离子的存在没有导致纳米多层片状结构生成。如图 4(c)所示,Na2SO4溶液中形成的空蚀坑环状区域分为内外两圈,内圈颜色比较深,直径约为 3 m,外圈颜色较浅。从图4(d)中可以观察到内外圈明显的边界,在边界处可以看出内圈纳米结构覆盖在外圈纳米结构表面之上。图 4(e)、(f)所示分别为内圈和外圈纳米结构高倍SEM 图像。可以看出,外圈纳米结构方向无序,较为散乱,长度 500 nm 左右;内圈纳米结构长度约为1 m,出现有两两并排排列叠加生成纳米多层结构
25、的趋势,排列较为有序。这意味着空泡第一次在坑中心上方溃灭之后,又有一个甚至多个新的空泡同样在坑中心生成溃灭,高温高压条件下形成了同心圆纳米结构21。表面不平的区域容易发生非均质成核,空蚀坑提供了这样一个场所,在空蚀坑处会周期地生成空泡形成空泡22。碳钢表面腐蚀的产物氧化物主要包括 FeOOH、FeOOH、FeOOH、FeOOH、Fe2O3、Fe2O3、Fe3O4等23。去离子水溶液中碳钢腐蚀阴极和阳极反应2425 可合理地表述如下:O2+2H2O+4e4OHFeFe2+2eFe2+2OHFe(OH)22Fe(OH)2+H2O+O22Fe(OH)3Fe(OH)3FeOOH+H2O此时生成的主要初
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 介质 超声 纳米 生成物 形貌 影响 郭诒大
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。