基于电火花超声加工的微纳空心球成形机理及优化研究

Micro/nano-structured hollow spheres have a lot of outstanding functions and have broad application prospects. However the current preparation methods still have some problems such as complex process, difficult to control. So it is necessary to explore a new preparing technology. Based on early experimental results, a new combined machining method of spark discharge and ultrasonic is put forward. The hollow spheres forming mechanism of the combined method will be studied in the project and then the influence factors of forming hollow spheres and the growth process of hollow sphere core are analyzed. The process rules will be studied among hollow spheres size, number, cumulative size distribution and spark discharge machining parameters, ultrasonic vibration parameters. And then a mathematic model will be established based on the inner mechanism. A multidiscipline design optimization method is adopted to optimize the mathematic model to realize the appropriate hollow spheres size, preparing rate and cumulative size distribution, and to improve the experiment system. The results make theoretical and practical foundation for exploring new micro/nano-structured hollow spheres preparation technologies.

微纳空心微球特有的许多优异性能使它有着广阔应用前景，目前的制备技术还存在工艺复杂、难以控制等问题，有必要探索新的制造工艺。本项目基于前期的试验结果，提出一种新的微纳空心球制备方法：火花放电-超声振荡复合制备法。项目重点研究火花放电-超声振动加工中空心球的成形机理，由此认识空心球成形的影响因素和空心球成核生长过程。通过工艺试验，研究超声空化效应、火花放电效应综合作用下，设计参数与空心球粒径、数量、累积分布之间的工艺规律。根据系统内部作用原理，建立超声振荡、火花放电等子系统及相互关系数学模型，采用多学科设计优化方法，获得控制粒径、制备效率以及累积分布最优的工艺方案，以指导系统的方案设计并改进试验系统。项目研究成果对探索新的微纳米空心粒子制造方法提供理论和实践基础。

微纳米空心球具有极大的体积效应和表面效应，在磁性、热光吸收性、化学活性等方面显示出许多特殊的性质，在化工、环保、军事、航天等领域有着广阔的应用前景。目前制备方法各有特点，但普遍存在工艺复杂、难以控制等局限性。项目提出并研究了一种新的微纳金属空心球制备方法：电火花-超声复合制备法，相对于其它制备方法，具有生产成本低、工艺简单、易于实施等优点。项目以镍为研究对象，研究了电火花-超声复合作用下，镍粉的形成机理和工艺规律。.项目研究了火花放电和超声振动下，微纳米金属粉末的成形过程和成形机理。在火花放电作用下，金属粒子熔化、气化，熔化部分形成金属液滴，气化部分形成原子簇；同时工作液在放电和超声空化作用下，形成微气泡。一部分原子簇聚集在一起，形成实心粉末；一部分原子簇与气泡相遇，经过气泡表面吸附金属原子、原子在表面进行扩散迁移碰撞结合成核、核长大变成小岛、小岛不断长大结合等过程，最后形成封闭、部分封闭或片状的微纳米壳体粉末。一部分金属液滴吸收了气泡，形成多孔状粉末；一部分金属液滴直接凝固成实心粉末。.项目对影响粉末制备的工艺参数进行了研究，包括脉冲宽度、放电电流、间隙电压、超声频率、超声功率、工作液等。相对于传统的电火花工作液，如煤油、电火花油，纯水制备的微粉粒径更小，粒径小于1微米比例为6%～10%，小于5微米比例为50%～80%。随着超声功率的增大，小于10微米的金属微粉比例增大。随着超声频率的增大，大尺度的金属粉末增加。EDS分析表明纯水比煤油工作液制备的金属镍粉纯度更高，达到98%。XRD分析表明金属镍粉在纯水中没有被氧化。金属镍粉的真密度测量结果表明，在纯水中、超声波的作用下，封闭状态的镍粉空心率达到39%。.基于实验结果，设计开发了电火花-超声复合制备空心球的原型设备。