超声波清洗的工作原理

超声波清洗技术的基本原理，大体可看作是借助超声场产生的强大作用力，在洗涤介质的协同下，促使物质发生一系列物理、化学变化以实现清洗目的的方法。

当高于音波（28 - 40kHz）的高频振动传递给清洗介质后，液体介质在高频振动下会产生近乎真空的空化泡。空化泡在相互碰撞、合并、消亡的过程中，可使液体局部瞬间产生数千大气压的压强，如此大的压强致使周围物质发生一系列物理、化学变化。这种作用被称为“空化作用”：

<!--[if !supportLists]-->1.<!--[endif]-->空化作用能够使物质分子的化学键断裂，引发各种物理变化（溶解、吸附、乳化、分散）和化学变化（氧化、还原、分解、化合）等。

<!--[if !supportLists]-->2.<!--[endif]-->当空化泡的固有频率与超声频率相等时，会产生共振，共振的空化泡内聚集了大量热能，这种热能足以使周围物质的化学键断裂，从而引发物理、化学变化。

<!--[if !supportLists]-->3.<!--[endif]-->当空化泡形成时，两泡壁间会因产生极大的电位差而引起放电，致使腔内气泡活化，进而引起周围物质的活化，使物质发生物理、化学变化。

超声场为清洗提供了巨大能量，但还需要化学洗剂作为介质。通常将化学洗剂分为两类，一类是有机溶剂，主要依据相似相溶的化学原理，对有机物如黏结剂（沥青、松香等）、保护性材料（沥青、树脂等）、磨边润滑油进行溶解。在光学洗净方面，最初使用三氯乙烯、芳香烃、氟里昂等作为清洗剂，这类物质虽然溶解性强，但有的易挥发、毒性大，有的对大气臭氧层有破坏作用，逐渐被禁用。目前国内多采用上述物质的改进产品或某些碳氢化合物做溶剂。另一类目前使用较多的是以表面活性剂为主要成分的水基清洗剂，其清洗原理简单来说，是由于表面活性剂的分子结构中同时包含亲油基和亲水基，具有极性和结构不对称的特性。正是这种特性使其能极大降低水溶液的表面张力，使物体表面易于润湿，表面污物易于被溶解并分散在清洗液中，从而达到洗涤目的。

超声波清洗就是在液体超声波清洗剂中，利用超声场产生的巨大能量，通过物理、化学的综合作用来实现洗净目的的一种洗净手段。

那么，在光学冷加工中，超声波清洗是怎样实现洗净目的的呢？一般而言，清洗工艺主要以干燥的方式命名，例如ipa工艺，是指利用ipa（异丙醇）蒸汽进行脱水干燥的清洗工艺；纯水工艺是指利用热纯水慢提拉或冷纯水甩干的方式进行干燥的清洗工艺。当然，还有其他命名方式。经过不断的发展变化，光学冷加工中的清洗工艺主要以ipa工艺和纯水工艺为主。

ipa工艺包含四个流程：洗涤、漂洗、脱水、干燥。

因为洗涤过程分溶剂清洗和水基清洗，所以存在不同的工艺：有先进行溶剂清洗、溶剂蒸汽干燥，再进行水基清洗的；也有先进行溶剂清洗，再用乳化剂溶解溶剂，然后进行水基清洗的。显然，后者在流程上更加流畅、紧凑，对设备的要求也更简单。经过洗涤后的镜片表面不会有结合牢固的污垢，仅可能存在一些清洗剂和松散污垢的混合物。

我们知道，无机光学玻璃是一种过冷的熔融态物质，没有固定的分子结构，其结构式可描述为二氧化硅和某些金属氧化物形成的网状结构。其骨架结构为键能很大的硅氧共价键，外围是键能小、易断裂的氧与金属离子形成的离子键。在洗涤时，由于超声场和化学洗剂的共同作用，某些硅氧键含量少或者外围键能特别小的材料在清洗过程中容易发生变化，从而导致洗涤效果不佳。所以，选择性能温和的洗剂、合适的洗剂浓度、温度、超声功率、洗涤时间，对保证镜片的清洗质量十分重要。

利用流水将洗涤后镜片表面的洗剂和污物溶解、排除的过程称为漂洗。影响漂洗效果的因素有以下几个：洗剂的漂清性能、漂洗水的纯度、温度以及流动性、超声波频率等。一般在40kHz时，常温下电导率为0.1μS/m的纯水可满足漂洗要求。

经过漂洗后的镜片表面洁净度应与漂洗水洁净度一致。当它进入ipa后，虽然ipa能与纯水无限混溶，但在超声波作用下，这种混溶能够进行得更快速、彻底，从而使镜片表面状态与混溶后的ipa相同。这一过程称为脱水。所以影响脱水的主要因素是ipa的纯度、超声波频率、脱水时间。一般ipa的最低浓度要高于97%。

脱水后的镜片进入ipa蒸汽槽干燥。蒸汽槽的结构大致如下：槽体下部为ipa液体，四周是高沸点油加热腔，上部是由若干圈冷凝管围成的冷凝区，冷凝管内是由冷水机提供的循环冷水，镜片由链条驱动的托架带动在干燥槽内运行。干燥的原理及过程如下：蒸汽槽中的ipa在高温油的加热下沸腾，蒸汽向上进入冷凝区，在冷凝区形成浓度、温度相对稳定的蒸汽区，脱水后表面附有液体ipa的镜片进入蒸汽区时，蒸汽区的蒸汽在低温的镜片表面冷凝液化，冲刷镜片表面，如同“淋浴”，当镜片表面温度与蒸汽温度相同时，便不再附有液态ipa，而全部转化为ipa。此时，镜片在托架的带动下上升回到冷凝区，在这一过程中，由于温度逐渐降低，镜片表面的ipa蒸汽冷凝液化，液化的ipa一部分在表面张力和重力作用下离开镜片，一部分在夹具散热时挥发离开镜片表面，经过上述过程后，镜片表面得到干燥。由此可见，影响干燥的因素众多：ipa的纯度、干燥位置、链条的提升速度、冷水机的水温、冷凝行程的长短、干燥时间、夹具材料、形状的选用等等。

以上是ipa工艺的四个流程简介，纯水工艺由三个流程组成：洗涤、漂洗、干燥。洗涤和漂洗与ipa工艺相同，不再赘述。区别在于干燥。干燥分两种情况，热纯水慢提拉和冷纯水甩干。

电阻率大于15MΩ·m的纯水在某一高温下，表面张力能达到最大，漂洗后的镜片浸入其中，表面不被润湿，在倾斜慢提拉离开时，由于极大的表面张力，纯水迅速在表面收缩成球形离开镜片，脱水后的镜片在过滤后的热风下实现干燥。所以，水的纯度、温度、慢提拉速度、工件的倾斜度、热风的洁净度对干燥的影响非常大。

冷纯水甩干的工艺很简单：经过纯水漂洗后的镜片放入离心甩干机中，在工件达到平衡时，启动甩干机，利用离心分离原理将镜片表面的纯水分离以达到干燥目的，对于要求不高的镜片能取得满意效果，并且能节省ipa和场地。但对甩干机的平衡性能要求很高。

以上是对光学冷加工中超声波清洗工艺的一些简介，实现工艺的载体是设备，一台设计合理、性能稳定的超声波清洗机能充分发挥超声波清洗工艺的优势。超声波清洗技术在众多领域都有着不可替代的作用。在光学冷加工领域，ipa工艺和纯水工艺通过各自的流程实现了对镜片的有效清洗，从洗涤、漂洗到脱水干燥，每个环节都受多种因素的影响。而在整个超声波清洗的原理方面，从超声波的产生到液体振动、空化效应，再到物理与化学作用的结合，环环相扣。

超声波清洗是利用高频声波在液体介质中传播时产生的空化效应来实现清洗的技术。具体原理如下：

<!--[if !supportLists]-->1.     <!--[endif]-->超声波产生：

<!--[if !supportLists]-->·       <!--[endif]-->超声波发生器将电能转换为高频电信号，通过换能器（通常是压电陶瓷或磁致伸缩装置）将高频电信号转换为高频机械振动。

<!--[if !supportLists]-->2.     <!--[endif]-->液体振动：

<!--[if !supportLists]-->·       <!--[endif]-->超声波传递到清洗液中，在液体中形成高频压缩和稀疏区域。

<!--[if !supportLists]-->3.     <!--[endif]-->空化效应：

<!--[if !supportLists]-->·       <!--[endif]-->在稀疏区，液体内局部压力降低，形成大量微小的真空气泡；这些气泡在压力恢复时迅速坍塌（爆破），释放出巨大能量。

<!--[if !supportLists]-->·       <!--[endif]-->气泡的坍塌产生强烈的微射流和冲击波，能够破坏污垢的粘附力，将其从物体表面剥离。

<!--[if !supportLists]-->4.     <!--[endif]-->物理与化学结合：

<!--[if !supportLists]-->·       <!--[endif]-->超声波增强了液体清洗剂的渗透力和反应效率，使污垢与清洗对象的分离更加彻底。

使用超声波清洗的注意事项

为确保清洗效果和设备的安全性，需要注意以下事项：

<!--[if !supportLists]-->5.     <!--[endif]-->清洗液选择

<!--[if !supportLists]-->·       <!--[endif]-->匹配性：根据清洗对象和污垢类型选择合适的清洗液（如水基清洗剂、碱性清洗剂、溶剂型清洗剂）。

<!--[if !supportLists]-->·       <!--[endif]-->液体特性：清洗液的温度、粘度和表面张力会影响超声波效果。推荐使用低表面张力、导声性能好的清洗液。

<!--[if !supportLists]-->·       <!--[endif]-->安全性：避免使用易挥发或可燃的溶剂，防止安全事故。

<!--[if !supportLists]-->6.     <!--[endif]-->清洗对象的摆放

<!--[if !supportLists]-->·       <!--[endif]-->均匀分布：将清洗物放置在清洗槽中时，应避免堆叠，确保超声波均匀传播。

<!--[if !supportLists]-->·       <!--[endif]-->避免接触换能器表面：清洗物体不应直接接触清洗槽底部或换能器，以防损坏设备。

<!--[if !supportLists]-->·       <!--[endif]-->材质兼容性：确认清洗物表面材质能耐受超声波清洗（如避免清洗软质或表面涂层较弱的物品）。

<!--[if !supportLists]-->7.     <!--[endif]-->温度控制

<!--[if !supportLists]-->·       <!--[endif]-->适宜温度：超声波清洗效果随温度升高而提高，但过高温度可能影响液体性能或清洗对象。

<!--[if !supportLists]-->·       <!--[endif]-->一般推荐温度为40 - 60°C。

<!--[if !supportLists]-->8.     <!--[endif]-->时间控制

<!--[if !supportLists]-->·       <!--[endif]-->避免过度清洗：清洗时间过长可能损坏清洗对象表面。

<!--[if !supportLists]-->·       <!--[endif]-->根据污垢程度合理设置清洗时间，一般为3 - 20分钟。

<!--[if !supportLists]-->9.     <!--[endif]-->设备维护

<!--[if !supportLists]-->·       <!--[endif]-->液体更换：清洗液长期使用后会混入污垢，需定期更换。

<!--[if !supportLists]-->·       <!--[endif]-->清洁槽体：使用后及时清理槽内污垢，避免对设备造成损害。

<!--[if !supportLists]-->·       <!--[endif]-->换能器检查：定期检查换能器性能，避免损坏影响清洗效果。

<!--[if !supportLists]-->10.  <!--[endif]-->防止误用

<!--[if !supportLists]-->·       <!--[endif]-->禁止空载运行，即清洗槽内无液体时启动超声波，会损坏换能器。

<!--[if !supportLists]-->·       <!--[endif]-->清洗完成后需关闭电源，避免设备长时间空转。

<!--[if !supportLists]-->11.  <!--[endif]-->环保与安全

<!--[if !supportLists]-->·       <!--[endif]-->使用环保型清洗剂，避免对环境造成污染。

<!--[if !supportLists]-->·       <!--[endif]-->注意通风，防止有害气体积聚，尤其是使用化学清洗液时。

超声波清洗的适用场景 - 工业领域：精密零件（如轴承、齿轮）、电子元器件、光学镜片。 - 医疗行业：手术器械、注射器、玻璃器皿。 - 实验室：玻璃器皿的快速去污。 - 日常生活：首饰、眼镜、手表等小型物品的清洁。

通过合理操作和维护，超声波清洗能够高效、安全地清除顽固污垢，同时保护清洗对象不受损伤。

在使用超声波清洗时，清洗剂的选择极为关键，需要考虑匹配性、液体特性和安全性。清洗对象的摆放应均匀、避免接触换能器并且确保材质兼容。温度和时间控制同样不可忽视，适宜的温度范围和合理的清洗时间设定有助于保障清洗效果并保护清洗对象。在设备维护方面，液体更换、槽体清洁和换能器检查都是必要操作，防止误用也是确保设备正常运行的关键，同时要兼顾环保与安全。

从适用场景来看，其广泛覆盖工业、医疗、实验室以及日常生活等多个领域，无论是精密零件、医疗器具还是小型日常用品，都能通过超声波清洗高效、安全地去除污垢，并且避免对清洗对象造成损伤。这充分体现了超声波清洗技术的高效性、安全性和广泛的适用性。