Application of Piezoelectric Ceramics in ultrasonic cleaning
Применение пьезокерамики в ультразвуковой очистке
1. Принцип и сущность ультразвуковой очистки
Ультразвуковая очистка — это высокоэффективный процесс, использующий энергию высокочастотных звуковых волн (обычно выше 20 кГц), распространяющихся в жидкой среде, для удаления загрязнений с поверхностей сложной геометрии.
1.1. Физическая основа процесса
Основным рабочим механизмом является акустическая кавитация. Звуковые волны создают в жидкости зоны переменного высокого и низкого давления. В зонах низкого давления образуются микроскопические пузырьки пара или газа (кавитационные пузырьки), которые в зонах высокого давления резко схлопываются. При схлопывании генерируются ударные волны и микроскопические струи жидкости, обладающие высокой энергией и эффективно разрушающие связи загрязнений с подложкой.
1.2. Области применения
Метод незаменим для очистки объектов со сложным рельефом, микроканавками и глухими отверстиями. Широко применяется в отраслях:
- Электроника: очистка печатных плат, компонентов
- Медицина: стерилизация хирургических инструментов
- Ювелирное дело: удаление полировальных паст и загрязнений
- Автомобилестроение: очистка топливных инжекторов, деталей двигателя
- Полупроводниковая промышленность: прецизионная очистка кремниевых пластин
2. Устройство и принцип работы ультразвуковой очистной установки
2.1. Преобразование энергии
Ультразвуковой генератор преобразует сетевой переменный ток 50/60 Гц в электрический сигнал высокой частоты (20-200 кГц), который подается на пьезоэлектрический преобразователь.
2.2. Генерация ультразвуковых колебаний
Пьезоэлектрический преобразователь преобразует поданную электрическую энергию в механические колебания (вибрации) той же частоты. Эти колебания передаются на дно или стенки очистной ванны.
2.3. Излучение ультразвука в жидкость
Колебания стенок ванны излучают ультразвуковые волны в очищающую жидкость (раствор), заполняющую резервуар. Волны распространяются в жидкости, создавая эффект кавитации.
2.4. Механизм очистки
Кавитационные пузырьки, вибрируя под действием звуковых волн, вызывают:
- Разрушение адсорбционных связей между загрязнением и поверхностью детали.
- Усталостное повреждение загрязняющего слоя, приводящее к его отслоению.
- Интенсивную турбулентность и микропотоки жидкости, вымывающие отделившиеся частицы.
3. Пьезоэлектрические элементы для ультразвуковой очистки
Конструкция и материал преобразователя определяют ключевые параметры установки: частоту, мощность и эффективность очистки.
3.1. Конструктивное исполнение
Устройства для ультразвуковой очистки обычно используют монослойные пьезокерамические элементы (стэки) различной формы (диски, кольца, пластины), приклеиваемые или припаиваемые к металлическому излучателю (дну ванны).
3.2. Критерии выбора материалов и конфигурации
- Очистка общего назначения (20-50 кГц): Для генерации высокой мощности и создания крупных, энергичных кавитационных пузырьков применяются кольцевые (ториодальные) или дисковые элементы из материала с высоким пьезоэлектрическим коэффициентом, такого как PZT-40. Это обеспечивает непрерывную работу и высокую эффективность очистки крупных и сильно загрязнённых деталей.
- Прецизионная и деликатная очистка (40-200 кГц): Для очистки микроэлектроники, кремниевых пластин или тонких механизмов требуются более высокие частоты. Здесь применяются компоненты меньшего размера (тонкие диски, пластины), создающие менее агрессивную, но более направленную кавитацию, что исключает риск повреждения хрупких поверхностей.
