趙福澤，朱紹珍,2，馮小輝，楊院生

(1 中國科學(xué)院 金屬研究所，沈陽110016； 2 東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110819)

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高能超聲分散納米晶須的數(shù)值和物理模擬

趙福澤1，朱紹珍1,2，馮小輝1，楊院生1

(1 中國科學(xué)院 金屬研究所，沈陽110016； 2 東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110819)

為研究高能超聲處理制備納米復(fù)合材料過程中納米增強(qiáng)相在熔體中的分散過程，采用甘油為介質(zhì)分別進(jìn)行了數(shù)值模擬以及物理模擬。數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)超聲作用于甘油中時(shí)，甘油中會(huì)形成中心-底面-壁面-中心的環(huán)形流動(dòng)，變幅桿探頭端面邊緣附近甘油流體存在最大的流動(dòng)速度，且隨著超聲功率的增大，流體運(yùn)動(dòng)速度增大。物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，高能超聲作用下甘油的實(shí)際運(yùn)動(dòng)行為與數(shù)值模擬結(jié)果相符合，存在環(huán)形流動(dòng)；此外，高能超聲作用下甘油中存在明顯的空化效應(yīng)；納米晶須在超聲作用下于甘油中分散良好，且隨著超聲功率的增大，達(dá)到充分分散所需時(shí)間變短。

超聲分散；納米晶須；數(shù)值模擬；物理模擬

在過去的20多年里，金屬基復(fù)合材料(Metal Matrix Composites，MMC)憑借其優(yōu)越的物理性能逐漸在航空航天、交通運(yùn)輸、體育用品等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了商業(yè)化的應(yīng)用[1-3]。目前金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)相按尺寸可分為微米級增強(qiáng)相和納米級增強(qiáng)相兩類，微米級增強(qiáng)相的加入在提高材料強(qiáng)度的同時(shí)通常會(huì)大幅度降低材料的伸長率[4,5]，而納米級增強(qiáng)相的加入在提高材料的強(qiáng)度的同時(shí)使材料仍能保持良好的塑性[5-7]，因此，納米相增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料日益受到研究人員的關(guān)注。

納米級增強(qiáng)相表面能高、潤濕性差，且易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，因此采用常規(guī)的制備工藝很難取得理想的分散效果，而采用噴射沉積法、電鍍法、納米燒結(jié)法等工藝則會(huì)顯著提高材料制備成本。高能超聲法可實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體與基體的良好結(jié)合，并能夠除氣、除渣，是一種工藝簡便、成本低廉的金屬基復(fù)合材料制備方法，尤其在納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備過程中效果明顯。目前，該方法已被廣泛應(yīng)用于制備納米相增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，且取得了良好的結(jié)果[8-12]。然而，目前關(guān)于超聲作用下熔體運(yùn)動(dòng)行為以及納米增強(qiáng)相分散機(jī)理的研究還有待深入。

由于超聲制備復(fù)合材料過程中熔體運(yùn)動(dòng)不易觀察，因此，本工作中采用甘油作為模擬的介質(zhì)，首先采用有限元方法模擬計(jì)算了高能超聲作用下甘油的流場分布及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，同時(shí)采用物理模擬的方法觀測高能超聲作用下聲流和空化效應(yīng)以及納米晶須在甘油中的超聲分散過程，并對高能超聲分散納米晶須的機(jī)理進(jìn)行了分析。

1　研究方法

1.1數(shù)值模擬

采用ANSYS有限元數(shù)值模擬軟件對200，400，600W的20kHz高能超聲作用下的甘油運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，20℃下甘油的部分物性參數(shù)如表1所示[13], 200，400，600W超聲功率對應(yīng)聲源振幅為1.92，2.72，3.33μm。甘油總高度為60mm ，半徑為31mm ，超聲變幅桿插入深度為5mm ，半徑為15mm 。模型示意圖以及有限元網(wǎng)格劃分如圖1所示，模型為二維軸對稱模型，壁面、底面以及上表面流速均設(shè)為零。

表1　20℃下實(shí)驗(yàn)用甘油的物性參數(shù)Table 1　Physical properties of the glycerol at 20℃

圖1　甘油超聲處理模型示意圖(a)以及有限元網(wǎng)格劃分(b)Fig.1　A schematic diagram of the ultrasonic processing in glycerol (a) and the mesh used for simulation (b)

基本假設(shè)：甘油按不可壓縮流體處理；忽略超聲對熔體的熱效應(yīng)，甘油中各部分溫度相同。

采用k-ε湍流模型描述甘油在超聲作用下的流動(dòng)狀態(tài)，控制方程如下[14]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：c為聲速；A為聲源振動(dòng)幅值；k為波數(shù)；a為變幅桿探頭端面半徑；z為探頭軸線方向距離。聲能密度相對于時(shí)間的平均值可以表示為

(7)

則超聲作用力可以表示為[16]

(8)

1.2物理模擬

物理模擬采用的甘油純度大于99%，硼酸鎂納米晶須直徑100～500nm，長度0.7～15μm左右，容器為200mL燒杯，尺寸與數(shù)值模擬模型尺寸對應(yīng)。實(shí)驗(yàn)過程如下：首先，選取超聲功率為600W，超聲變幅桿插入甘油深度為10mm 情況下，對高能超聲作用下甘油中的聲流效應(yīng)進(jìn)行觀察。其次，將5%體積含量的納米晶須加入甘油中，觀察超聲功率為600W、變幅桿插入深度為5mm 情況下，納米晶須的分散過程，并與手動(dòng)攪拌的效果進(jìn)行對比。最后，比較超聲功率分別為200，400，600W的情況下納米晶須的分散過程，記錄晶須完全分散所需時(shí)間。

2　結(jié)果與分析

2.1數(shù)值模擬結(jié)果

不同超聲功率處理下甘油中的流場分布如圖6所示，超聲作用下，超聲探頭附近甘油沿變幅桿中軸線位置匯聚并沿中軸線向下流動(dòng)，由于燒杯底部的約束作用，甘油在底面沿徑向分流并往燒杯壁面流動(dòng)，到達(dá)壁面后沿壁面向上流動(dòng)至變幅桿附近后受超聲作用再次往中軸線方向匯聚，最終在燒杯內(nèi)形成環(huán)流。其中，在變幅桿端面邊緣附近的流體中流速達(dá)到最大，超聲功率為200，400，600W條件下流體的最大速率分別為0.73,1.46,2.18cm/s，說明增大超聲功率能夠提高流體運(yùn)動(dòng)速率，流體的攪拌作用也隨之增強(qiáng)。

圖2　不同功率下甘油的流場計(jì)算結(jié)果　(1)流速矢量圖；(2)流速云圖 (a)P=200W；(b)P=400W；(c)P=600WFig.2　Flow field of glycerol with different ultrasonic power　(1)velocity vector diagram; (2) velocity nephogram (a)P=200W；(b)P=400W；(c)P=600W

2.2物理模擬結(jié)果

不同超聲處理時(shí)間下甘油中聲流的形態(tài)如圖3所示，從圖中可以看出，在高能超聲的作用下，甘油中聲流呈現(xiàn)穩(wěn)定的環(huán)流形態(tài)，這與數(shù)值模擬的結(jié)果相符。甘油為透明液體，而環(huán)流的軌跡呈現(xiàn)為白色，這是由于高能超聲作用下甘油中發(fā)生了空化作用導(dǎo)致的。超聲作用下的液體會(huì)發(fā)生慣性空化效應(yīng)，液體中形成微氣泡并在超聲作用下振蕩，當(dāng)超聲聲壓足夠高時(shí)，氣泡長大并迅速潰滅[17]。有研究顯示，當(dāng)超聲變幅桿探頭直接沒入水中時(shí)，在探頭下端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)錐形的氣泡區(qū)域[18]，而在甘油的超聲作用實(shí)驗(yàn)中，觀察到探頭端面下方同樣形成了一個(gè)空化氣泡區(qū)域?？梢园l(fā)現(xiàn)，空化氣泡首先于探頭端面附近產(chǎn)生(圖3(a))，其次，部分未潰滅的空化氣泡隨熔體流動(dòng)到燒杯底面并向燒杯壁面運(yùn)動(dòng)(圖3(b),(c))，最終在甘油中形成了環(huán)流的白色軌跡(圖3(d))。因此，可以用甘油中白色軌跡近似表示甘油中的流動(dòng)形態(tài)。

圖4為600 W高能超聲作用下晶須在甘油中的分散過程，從圖中可以看出，白色晶須隨著聲流運(yùn)動(dòng)(圖4(a),(b))，當(dāng)聲流穩(wěn)定后，晶須被打散(圖4(c))，最終晶須在甘油中達(dá)到均勻分布狀態(tài)(圖4(d))。從圖4(c)中可以發(fā)現(xiàn)，燒杯底面附近仍為透明的甘油，基本不含白色的納米晶須，這說明燒杯中底面附近的聲流作用較弱，這與數(shù)值模擬結(jié)果中模型底部流速較小相符合。但經(jīng)過90s的超聲處理過后，納米晶須在甘油中仍可以達(dá)到理想的分散效果(圖4(d))。

比較了不同功率下納米晶須完全分散所需的時(shí)間，結(jié)果如圖5所示，隨著超聲功率的增加，晶須完全分散所需時(shí)間減少。這一現(xiàn)象可以由流速變化解釋。數(shù)值模擬結(jié)果顯示超聲功率越大，甘油中流速越大，而流速的增加促使甘油中對流加快，晶須充分分散所需時(shí)間減少。

圖3　不同時(shí)刻甘油中聲流形態(tài)　(a)2s；(b)5s；(c)10s；(d)20sFig.3　The flow pattern of glycerol with different ultrasonic treating time　(a)2s;(b)5s;(c)10s;(d)20s

圖4　納米晶須在甘油中的超聲分散過程　(a)2s；(b)10s；(c)50s；(d)90sFig.4　Dispersion process of nano-whiskers with different ultrasonic treating time　(a)2s;(b)10s;(c)50s;(d)90s

圖5　不同超聲功率下晶須完全分散所需時(shí)間Fig.5　The time for full dispersion of whiskers with different ultrasonic power

圖6為手動(dòng)攪拌后甘油中晶須的分散狀態(tài)。圖中明顯觀察到分散的晶須存在，攪拌分散效果比高能超聲作用下晶須的分散效果差。

圖6　攪拌作用下納米晶須的分散狀態(tài)Fig.6　The dispersion state of nano-whiskers with stirring

綜合數(shù)值模擬結(jié)果與物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對高能超聲處理過程中晶須的分散機(jī)理進(jìn)行了探討。高能超聲作用下，甘油中會(huì)產(chǎn)生聲流效應(yīng)以及空化效應(yīng)，而聲流效應(yīng)與空化效應(yīng)對晶須的分散均有促進(jìn)作用。其原理如圖7所示，首先，納米晶須加入到甘油時(shí)是以團(tuán)簇形式存在的，存在微氣泡，另外在超聲作用下，由于負(fù)壓的產(chǎn)生，部分溶于甘油中的氣體會(huì)析出形成空化氣泡；其次，在高能超聲作用下，晶須中產(chǎn)生的氣泡以及后來產(chǎn)生氣泡會(huì)長大并最終破裂，將團(tuán)簇形式的晶須打散；最后，聲流的作用加強(qiáng)了甘油中的對流作用，使得納米晶須能在甘油中充分分散。

圖7　高能超聲作用下晶須在甘油中的分散原理示意圖Fig.7　A mechanism schematic about the dispersion of whiskers in glycerol under high intensity ultrasonic

3　結(jié)論

(1)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，當(dāng)超聲作用于甘油中時(shí)會(huì)形成沿中心-底面-壁面-中心的環(huán)狀流動(dòng)，最大流速位置位于變幅桿端面邊緣附近。

(2)由于高能超聲的作用，甘油中會(huì)形成空化氣泡，并隨聲流運(yùn)動(dòng)，從而在流體中形成白色的環(huán)流軌跡。

(3)高能超聲作用下，由于聲流效應(yīng)與空化效應(yīng)的作用，納米晶須能在短時(shí)間內(nèi)充分分散于甘油中。與攪拌效果相比，超聲分散效果更優(yōu)。且隨著超聲功率的增加，甘油中的流動(dòng)速率增大，納米晶須達(dá)到充分分散的時(shí)間縮短。

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Numerical and Physical Simulations of Nano-whiskers’ Dispersion Under High Intensity Ultrasonic

ZHAO Fu-ze1，ZHU Shao-zhen1,2，F(xiàn)ENG Xiao-hui1，YANG Yuan-sheng1

(1 Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016，China；2 College of Materials and Metallurgy,Northeastern University,Shenyang 110819,China)

High intensity ultrasonic processing is a good way to fabricate nano-composite. In order to study the dispersion process of nano-whiskers under high intensity ultrasonic, numerical and physical simulations of nano-whiskers’ dispersion under high intensity ultrasonic were carried out by using glycerol as fluid medium. The numerical simulation results show that ultrasonic forces the fluid to flow along the center line-bottom-wall-center line route and flow velocity is the maximum near the probe tip edge. Besides, the flow velocity increases with the increase of ultrasonic power. The physical simulation results are in good agreement with the numerical simulation results. In addition, cavitation as well as convection is found in the glycerol during the ultrasonic processing; the nano-whiskers are dispersed well in the glycerol under ultrasonic, and the time for fully dispersion decreases with the increase of ultrasonic power.

ultrasonic dispersion; nano-wisker; numerical simulation; physical simulation

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.07.003

O426

A

1001-4381(2016)07-0013-06

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51274184)

2015-01-04；

2016-03-15

楊院生(1956-)，男，研究員，博士，主要從事高溫合金與耐熱鋼、新型鎂合金設(shè)計(jì)與制備、凝固技術(shù)與材料制備以及凝固與制備過程模擬計(jì)算方面研究，聯(lián)系地址：遼寧省沈陽市沈河區(qū)文化路72號(hào)中國科學(xué)院金屬研究所(110016)，E-mail:ysyang@imr.ac.cn