现代机械工程产品对表面质量的要求较高，这在很大程度上决定了其耐磨性水平。应用功能涂层是满足微观和亚微观层面机械及几何特性要求的常见方法。涂层技术涉及多个环节，包括表面准备（以形成预设的表面微观结构并去除氧化膜）、为涂层与基材之间提供足够的粘附强度、涂层材料的制备（对聚合物和复合材料尤为重要），以及通过喷涂、沉积、电镀和氮化等方法直接施加涂层。
本研究旨在探讨超声喷雾获得气溶胶的参数，其优势在于无需施加压力的液体介质，同时可以通过改变超声影响的声学技术参数和分散粘性介质的特性来调节气溶胶的特性。
实验过程
本研究使用甘油和水的混合物作为模型液体。由于甘油具有较高的初始粘度和在水中无限溶解的特性，可以根据成分比例调配出具有预设粘度的溶液。所用甘油含有至少99.7%的主要成分，而水则经过7天的静置处理。根据不同的比例混合，准备了粘度分别为1、40、78、129、174和234 mPa·s的模型液体。
为实现超声波振荡，我们使用了一个三半波磁致伸缩振荡系统，其中包括由49K2F级材料制成的换能器、焊接在换能器上的钛合金波导，以及通过螺纹杆连接的45级钢制发射器，超声波喷涂的谐振频率为19000 Hz。
在发射器浸入模型液体容器后取出，由于液体与湿润表面之间的表面张力和粘附力超过重力，约0.5 mL的液滴留在发射器的末端。接着，打开振荡发生器，液滴在超声波的作用下被分散形成气溶胶。
喷雾过程通过使用具有高灵敏度和大景深的Fastec Hispec相机进行高速拍摄，拍摄速度为5432帧/秒。拍摄参数通过专用软件进行控制，获得的数据自动传输至计算机。
获得的图像特征取决于与相机结合使用的附加光学设备。在此次拍摄中，使用的光学设备使得获得的像素大小为7μm。随后，通过计算机处理来评估气溶胶的定量特征。气溶胶浓度通过计算黑白图像中白色（液滴）与黑色部分的百分比来得出。平均液滴大小Sav则是总白色面积与液滴数量的比值。液滴速度根据注册区域的高度和气溶胶液滴越过该区域所需的时间进行计算，同时考虑视频注册速度。
实验数据
从高速拍摄的帧中观察到，喷雾特性随着液体粘度和超声振荡模式的变化而变化。随着振幅的增加，分散过程的产率提高，液滴数量增加。
在不同振荡幅度下，液体粘度的影响表现出不同的模式。例如，当ξm = 3 μm时，粘度从1增加到129 mPa·s时，液滴数量增加，但大小和形状（均为球形）变化不大；当粘度达到174 mPa·s时，喷雾过程停止。对于ξm = 10-30 μm，液滴数量在粘度增至129 mPa·s时先增加，随后在ξm = 10 μm的情况下急剧减少，而在ξm = 30 μm情况下则持续单调减少。
不同振幅下，液滴形状和大小也存在显著差异。在ξm = 10 μm且粘度为40 mPa·s时，液滴大小分布较广，随着粘度增加，细长液滴逐渐占主导。到129 mPa·s时，细长液滴、大液滴和小液滴数量接近，而174 mPa·s时，仅剩小液滴。
在ξm = 30 μm情况下，喷涂水（粘度为1 mPa·s）时大液滴已出现，随着粘度增加，大液滴数量上升，小液滴减少。细长液滴在粘度达到40 mPa·s时出现，并持续存在。
喷雾特性变化的原因主要归结为超声波影响模式及液体的空化强度。低振幅处理模式（μ = 1 mPa·s和ξm = 3 μm）下，空化气泡较少；而中间处理模式（ξm = 10 μm）具有较为发达的空化区。随着振幅增加，空化气泡在发射器表面聚集，形成强大的水动力流。液体粘度和密度的增加也会增强空化强度，影响喷雾效果。
在ξm = 3 μm的处理过程中，少量空化气泡的崩溃引发的分散过程在30-120秒内完成，此时气溶胶浓度较低。随着粘度增加，喷雾停止可能是由于引入介质的功率不足以克服空化阈值。使用ξm = 10 μm进行喷涂时，生产率提高，大量气泡转移至液滴边界。当粘度达到129 mPa·s时，喷雾在2-3秒内发生，气溶胶液滴呈现不同的大小和形状，这归因于空化效应引起的分散过程。
结论
本研究通过实验分析了液体粘度和超声波振动参数对喷雾气溶胶特性的影响，得出以下主要结论：
- 喷雾火炬参数的决定因素：喷雾火炬的性能受液体特性及超声影响模式的综合作用。
- 气溶胶液滴类型：在液滴分散过程中形成三种主要气溶胶液滴类型：首先，在空化气泡崩溃时形成的高速细流；其次，由于液体从受冲击波影响的喷涂表面分离而产生的大球形液滴；最后，因液滴形成过程中的飞溅而产生的低速小液滴。
- 喷涂模式：根据技术可行性，喷涂可采用两种模式：高气溶胶浓度（最高可达4.5%）且液滴大小各异，或低浓度（最高可达0.3%）的小液滴以最低速度移动。
实验结果表明，液体粘度显著影响气溶胶的特性。在不同粘度下，液滴数量和形状发生变化，低粘度液体主要生成球形液滴，而高粘度液体则产生流状液滴。随着超声波振幅的增加，气溶胶浓度提升，液滴的运动速度和形状变得更加多样化。
综合分析，本研究为优化超声喷雾技术提供了实用的数据和理论基础，未来可根据不同应用需求，调整超声波参数，以实现最佳的喷涂效果。