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超声清洗技术及新近进展

  超声清洗技术及新近进展

  林仲茂

   (中国科学院声学研究所)

   一、引言

  人类的活动离不开清洗,人们在日常生活中需要清洗,在生产劳动过程中需要清洗操作,这是习以为常的事。但是着社会的发展,人们生活水平不断的提高和科学技术的突飞猛进,人们对清洗技术和产品要求越来越高,尤其进入圆员世纪以来人们生活已经从温饱要求进入到追求舒适生活,要求绿色生存环境的时代,对清洗产品的要求越来越高,特别是现代制造业的高速发展需求,促进了清洗技术和设备的蓬勃发展,而形成了一个行业。这个行业根据不同的清洗范围大致可分为民用清洗和工业清洗两大类。为适应工业生产中对洗净要求的不断提高,发展了许多清洗方法和技术。

  除了利用力学、声学、热学、电学和光学等原理进行清洗的物理方法以及利用化学反应原理进行的化学清洗来外,近年还利用酶和微生物的生物化学反应来进行清洗。

  超声清洗属于物理清洗方法。超声清洗效率高,质量好,清洗后的污物残留量比其他清洗方法少许多,特别是在清洗复杂形状表面零件以及深孔、盲孔及狭缝时中的污物很有效,凡是清洗液能浸到,声波存在的地方都能得到清洗。超声清洗特别适合于精密工业及超精密工业生产过程中的清洗。精密清洗关系到产品的质量和性能,对各种产品加工生产过程中的清洗,能够去掉微小污物粒子;超精密清洗,例如微电子器件,大规模集成电路等生产过程中的清洗,由于它的加工工艺要求达到纳米水平,因而清洗要求能去除纳米以下的污物,这除了要在超级净化环境中进行,需要用高纯度的清洗剂外,还需要用兆赫超声清洗技术。此外在一些难清洗而有损人体健康的清洗作业,例如核工业及医疗设备的放射性污物的清洗,可以用超声清洗,因为它能够实现遥控和自动化清洗。  

   二、超声清洗原理及影响清洗效果的因素

    1.超声清洗原理

  超声清洗的机理主要是超声空化作用和超声空化二级效应产生的微声流擦洗以及超声空化在固体和液体界面处所产生的高速微射流的冲击作用。

  存在于液体中的微气泡(空化核)在声场的作用下振动,当声压达到一定值时,气泡迅速增长,然后突然闭合,在气泡闭合时产生冲击波,在其微小空间产生几千个大气压的压力,而破坏不溶性污物,使它们分散于溶液中。由于超声空化作用,两种液体在界面迅速分散而乳化,当固体粒子被油污裹着而粘附在被清洗件表面时,油被乳化,固体粒子即行脱落;振动气泡一方面会破坏污物与清洗表面的吸附,另一方面也会引起污层的疲劳破坏而从工件表面脱离。此外振动着的气泡还能‘钻入’裂缝中振动,使污层脱离。

  高强度超声作用于液体介质时,由于有限振幅声波的非线性效应,在液体中会产生辐射压力和声流等二阶效应。声辐射压力可以促进清洗过程中气泡向被清洗件表面输送,使空化泡在固体表面产生微射流,对固体表面产生冲击腐蚀作用。声流范围大的可达厘米大小,而小的只有微米量级,后者称为微声流。具有一定速度的声流可以产生巨大的切应力,能够擦除清洗件表面附着的污物,增加搅拌和扩散作用,加速可溶性污物的溶解,强化化学清洗剂的清洗作用。声流的法向速度分量阻止了清洗下来的污物重新附着在被清洗件上。

  除此以外,在清洗液中的超声振动本身对清洗作用也有重要贡献。例如频率为圆园千赫,声强为每平方厘米圆瓦的超声在清洗液中传播时,它将引起质点的加速度约为圆园园园郧,声压约为圆援源缘大气压,这表明被清洗件表面的污物每秒将遭受到清洗液圆万次从正圆援源缘大气压到负圆援源缘大气压的剧烈冲击。

   2.影响超声清洗效果的因素

  超声清洗的主要机理是超声空化作用。超声空化的强弱与声学参数、清洗液的物理化学性质及环境条件有关,所以要得到良好的清洗效果,必须选择适当的声学参数和清洗液。

  (1)声强或声压的选择

  在清洗液中只有交变声压幅值超过液体的静压力时才会出现负压,而负压要超过液体的强度才能产生空化。使液体产生空化的最低声强或声压幅值称为空化阈。各种液体具有不同的空化阈值,在超声清洗槽中的声强要高于空化阈值才能产生超声空化。对于一般液体,空化阈值约为每平方厘米员辕猿瓦(声压的平方正比于声强)。声强增加时,空化泡的最大半径与起始半径的比值增大,空化强度增大,即声强愈强高,空化愈强烈,有利于清洗作用。但不是声越大越好,声强过高,会产生大量无用的气泡,增加散射衰减,形成声屏障,同时声强增大也会增加非线性衰减,这样都会削弱远离声源地方的清洗效果。对于一些难清洗干净的污物,例如金属表面的氧化物,化纤喷丝板孔中污物的清洗,则需要采用较高的声强,此时被清洗面应贴近声源,这时大多不采用槽式清洗器,而用棒状聚焦式换能器或带有条状辐射器的换能器直接插入清洗液靠近清洗件的表面进行清洗。

  (2)频率的选择

  超声空化阈值和超声波的频率有密切关系。频率越高,空化阈越高,换句话说频率越高,在液体中要产生空化所需要的声强或声功率也越大;频率低,空化容易产生,同时在低频情况下,液体受到的压缩和稀疏作用有更长的时间间隔,使气泡在崩溃前能生长到较大的尺寸,增高空化强度,有利于清洗作用。目前超声波清洗机的工作频率根据清洗对象,大致分为三个频段:低频超声清洗(圆园耀缘园运匀扎),高频超声清洗(缘园耀圆园园运匀扎)和兆赫超声清洗(苑园园运匀在耀员酝匀扎以上)。低频超声清洗适用于大部件表面或者污物和清洗件表面结合强度高的场合。频率的低端,空化强度高,易腐蚀清洗件表面,不适宜清洗表面光洁度高的部件,而且空化噪声大。源园运匀扎左右的频率,在相同声强下,产生的空化泡数量比频率为圆园运匀扎时多许多,穿透力较强,宜清洗表面形状复杂或有盲孔的工件,空化噪声较小,但空化强度较低,适合清洗污物与被清洗件表面结合力较弱的场合。高频超声清洗适用于计算机、微电子元件的精细清洗,如磁盘、驱动器、读写头、液晶玻璃及平面显示器,微组件和抛光金属件等的清洗。这些清洗对象要求在清洗过程中不能受到空化腐蚀,要能洗掉微米级的污物;兆赫超声清洗则适用于集成电路芯片、硅片及簿膜等的清洗。能去除微米、亚微米级的污物而对清洗件没有任何损伤,因为此时不产生空化,其清洗机理主要是声压梯度、粒子速度和声流的作用。特点是清洗方向性强,被清洗件一般置于与声束平行的方向。

  (3)清洗液的物理化学性质对清洗效果的影响

  清洗剂的选择要从两个方面来考虑:一方面要从污物的性质来选择化学作用效果好的清洗剂;另一方面要选择表面张力、蒸气压及粘度合适的清洗剂,因为这些特性与超声空化强弱有关。液体的表面张力大则不容易产生空化,但是当声强超过空化阈值时,空化泡崩溃释放的能量也大,有利于清洗。高蒸气压的液体会  降低空化强度,而液体的粘滞度大也不容易产生空化,因此蒸气压高和粘度大的清洗剂都不利于超声清洗。

  此外,清洗液的温度和静压力都对清洗效果有影响,清洗液温度升高时,空化核增加,对空化的产生有利,但是温度过高,气泡中的蒸气压增大,空化强度会降低,所以温度的选择要同时考虑对空化强度的影响,也要考虑清洗液的化学清洗作用。每一种液体都有一空化活跃的温度,水较适宜的温度是远园益,此时空化最活跃。

  清洗液的静压力大时,不容易产生空化,所以在密闭加压容器中进行超声清洗或处理时效果较差。

   (4)影响超声清洗效果的其它因素

  清洗液的流动速度对超声清洗效果也有很大影响。最好是在清洗过程中液体不作连续流动,这时泡的生长和闭合运动能够充分完成。如果清洗液的流速过快,则有些空化核会被流动的液体带走;有些空化核则在没有达到生长闭合运动整个过程时就离开声场,因而使总的空化强度降低。在实际清洗过程中有时为避免污物重新粘附在清洗件上,清洗液需要不断流动更新,此时应注意清洗液的流动速度不能过快,以免降低清洗效果。

  被清洗件的声学特性和在清洗槽中的排列对清洗效果也有较大的影响。吸声大的清洗件,如橡胶,布料等清洗效果差,而对声反射强的清洗件,如金属件,玻璃制品的清洗效果好。清洗件面积小的一面应朝声源排放,排列要有一定的间距。清洗件不能直接放在清洗槽底部,尤其是较重的清洗件,以免影槽底板的振动,也避免清洗件擦伤底板而加速空化腐蚀。清洗件最好是悬挂在槽中,或用金属筐盛好悬挂,但须注意要用金属丝做成,并尽可能用细丝做成空格较大的筐,以减少声的吸收和屏蔽。

  清洗液中气体的含量对超声波清洗效果也有影响。在清洗液中如果有残存气体(非空化核)会增加声传播损失,此外在空化泡运动过程中扩散到泡中的气体,在空化泡崩溃时会降低冲击波强度而削弱清洗作用。因此有些超声清洗设备具有除气功能,在开机时先  进行低于空化阈值的功率水平作振动,以脉冲或间歇方式振动进行除气,然后功率加到正常清洗的功率水平进行超声清洗;有些超声清洗设备附有抽气装置(所谓真空脱气),其目的同样是减少清洗液中的残存气体。

  驻波的影响。清洗槽是有限空间,超声波由声源向液面传播时,在液体和气体的交界面会反射回来而形成驻波。驻波的特征是在液体空间的某些地方声压最小,而在另外一些地方声压最大,这样会造成清洗不均匀的现象。要减少驻波的影响,有时清洗槽特意做成不规则的形状以避免驻波的形成。有时在超声电源方面采取扫频的方式,使声压最小处不固定在一个地方,而是不断地移动,以达到较均匀的清洗。

   三、超声清洗设备的进展及存在的一些问题

  超声清洗技术的研究和应用,我国始于50年代,几乎与国外同步进行。20世纪80年代以前发展比较缓慢,80年代以后,特别是改革开放以来,这一新技术得到很快的发展。已经广泛地应用于电子电器工业,光学光电工业,钟表首饰工业,化工和纺织工业,汽车摩托车工业,机械工业,金属制品工业,原子能和航天航空工业,造船工业,制药工业和医疗器械等的清洗。超声清洗设备已由单缸标准机型向多缸,成套,专用和半自动及自动化超声清洗设备发展。为适应不同清洗对象,工作频率除已有的低频(40KHz以下)超声清洗外,还发展了高频(60~200KHz以上)超声清洗及多频率同时工作的超声清洗设备。超声频电源(又称超声波发生器)在20世纪80年代国际上普遍采用自激式D类晶体管开关功率放大器,线路比较简单,具有频率跟踪功能,通过多路合成,容易得到大功率的超声发生器,但在国内使用时曾用庞大的铁芯变压器降压,甚为笨重。21世纪以来,逐渐采用他激式开关电源,采用脉宽调制方式,输出功率可调。由于采用高压,大电流的IGBT器件或MOS模块,大功率的超声频电源体积较小,可靠性进一步提高,控制电路采用数字技术可以得到性能优越,运行更可靠,可以遥控的超声频电源。

  近年来瑞士MPI公司推出一种新型的超声发生器,称之为MMM(Multi-frequency,Multimode,Modulated)发生器。指的是多频,多模调制发生器。它不仅能够解决复杂结构机械负载系统的驱动,而且对液体处理设备,如超声清洗及声化学反应设备的驱动更具有突出的优点。传统的超声清洗系统一般是采用固定频率驱动,不考虑清洗槽形状,液面高低,液体温度及被清洗件等对换能器最佳工作频率的影响。这样会降低空化强度及可能产生驻波而降低清洗效果。MMM来技术是用一种专门的反馈系统产生一种最佳而复杂的驱动信号以适应负载的变化,即用先进的数字信号来处理技术监控换能器对负载变化的响应,用实时反来馈环产生复杂的多模调制驱动信号以激励机械负载(如换能器清洗缸系统)的谐波以产生一种宽频的多频声场(由次声到兆赫声),因此能产生尺寸范围很宽而较大密度的空化泡,这对于超声清洗及声化学反应是很有利的。

  超声清洗设备用的换能器,国内外普遍采用压电换能器。我国自主创新的半穿孔结构宽频带压电换能器,生产实践表明,性能优于国外产品。其优点是频带宽,效率高,尤其是换能器的频率较高或其辐射面积较时大能减小横向振动,提高辐射效率,提高工作稳定性。为适应多频清洗,国内也开始生产双频或多频换能器,并用于超声清洗设备。20世纪末国外发展了管状和棒状换能器,其辐射面积大,效率高,使用寿命长,便于清洗管道及筒状容器。国内虽有产品,但尚未大量应用。在高声强清洗方面我国发展了一种聚能于长方形辐射面的高声强清洗器,用于清洗喷丝板、钢带、钢丝及一些难以清洗的工件。另一种聚能的棒状换能器可用于清洗油泵油嘴及深螺纹孔的清洗等等。

  微电子工业生产过程中,要求清洗掉亚微米级以下的污物而不损坏器件,由此国外发展了兆赫级的超声清洗设备和喷淋式兆声清洗设备。

  关于清洗剂,它大致可分为水系、半水系和非水系三大类。精密工业清洗以前最普遍使用的有机溶剂是CFC-113和TCA,因为它们的化学稳定性好,对大多数金属、漆类及塑料等不起作用,不会溶解;没有闪点,毒性低,渗透力强,使用安全;其沸点低,蒸发快,清洗后工件不必烘干,曾被广泛应用。但是它属于ODS物质,会破坏臭氧层,已不能使用。因此世界各国都在开发各种替代产品,如日本目前广泛使用的溶剂是碳氢溶剂。碳氢溶剂具有许多优点:1)清洗性能好。碳氢溶剂清洗润滑油,防锈油和机加工油等矿物油的效果要比用卤代烃和水基清洗剂好。2)材料相容性好。碳氢溶剂中不含水分和氯、硫等腐蚀物,不会腐蚀和锈蚀各种金属材料;对大部分塑料和橡胶没有溶解、溶胀和脆化作用。3)蒸发损失小。因其沸点一般在150摄氏度以上,所以在保管和使用过程中损失比较小。4)能够彻底挥发,没有残迹。它是一种很纯净的溶剂,在常温或加温状态下可完全挥发,不会有残留物。5)无毒。碳氢溶剂与人体接触均为低毒,不属于致癌物质。6)碳氢溶剂中不含氯,不破坏臭氧层,可以自然降解,其清洗废液可以放入炉中焚烧,焚烧的生成物主要是二氧化碳和水,对空气没有污染。7)价格低廉。普通碳氢溶剂的价格相当于CFC-113价格的一半,比某些ODS替代品的价格更低,同时由于碳氢溶剂的密度约为0.75,比卤代烃溶剂的密度低许多,所以在同一容积的清洗槽中其加入量仅为卤代烃清洗剂的一半左右。

  碳氢溶剂的缺点是沸点高(150~190摄氏度)而闪点低(50~70摄氏度)。沸点高会使清洗后工件的干燥速度大为降低,难于蒸馏再生;而较低的闪点需要在清洗、干燥和蒸馏再生中采取防火措施。为克服这些缺点,更好的利用这种性能优越而价廉的碳氢溶剂,必须改进工艺设备,一种好的方案是采用真空技术。采用了真空技术,可以使碳氢溶剂能够真空蒸馏再生重复使用。利用清洗剂与污垢之间的沸点差,将溶有油污的清洗剂加热到清洗剂的沸点以上,而控制在油污的沸点以下,这样使清洗溶剂气化,然后通过冷却,使之重新凝结成纯净的清洗溶剂,而沸点较高的油污和机械杂质则留在蒸馏罐底部。由于碳氢溶剂的沸点高,必须在较高的真空度环境下使其沸点降低到80摄氏度,然后在真空中加热蒸发,再经过冷凝回收。

  在真空状态下进行清洗、干燥和蒸馏再生过程中,由于含氧量很低,虽然温度达到或超过碳氢溶剂的闪点也不会燃烧,保证了使用的安全。由此可见,采用了真空技术后能够克服碳氢溶剂存在的缺点。虽然设备的投资加大,但从长远看,碳氢溶剂便宜且消耗量少,是今后的发展方向。这种超声清洗设备国内已经能够生产,并且部分产品已经出口。

  超声清洗设备一般是非标准专用设备,要根据用户的不同要求进行设计和生产。在国外生产成本比较高,国内产品如果能提高质量是具有竟争力的。目前超声清洗设备存在的主要问题是没有统一的行业标准。一些企业投资少,加工手段简陋,产品质量差,常常在原材料、器件和超声功率等方面做文章,以低价销售,扰乱了市场。在超精密清洗方面,如微电子器件在生产过程中的清洗,要求能清洗掉纳米级的污物,这必须在超级净化环境中进行,需要用超高纯度的清洗剂并用没兆赫超声清洗。这方面的清洗设备目前我国企业尚有能够提供,而基本依赖进口。

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