超聲波在材料工程中的應(yīng)用研究進展

田德祥,劉新利,王德志

（中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙 410083）

超聲波一般指頻率高于20 kHz的聲波（工業(yè)上15 kHz以上的聲波即稱為超聲波），是一種波長極短的機械波。超聲波的產(chǎn)生是利用超聲振動工具，通過超聲波發(fā)生器將供電頻率放大，頻率放大后傳遞至超聲換能器，換能器將高頻的電能轉(zhuǎn)換成機械振動，并在縱向做周期性的伸縮運動，其振幅一般在幾個微米，這種振幅的作用較小，可以通過變幅桿將換能器的振幅放大，傳遞至介質(zhì)中傳播。超聲波作用的原理主要是空化效應(yīng)和共振效應(yīng)，超聲波在液體介質(zhì)中可以形成聲場，以駐波的形式交變周期傳播，在這個周期內(nèi)形成正壓區(qū)和負壓區(qū)，當(dāng)聲波達到一定強度，介質(zhì)分子在正壓區(qū)會被壓力壓縮變小，在負壓區(qū)會被拉力拉伸變大，不斷地拉伸和壓縮最終導(dǎo)致介質(zhì)分子間距超過臨界分子間距，介質(zhì)分子斷裂形成微泡，拉力的作用下微泡變大并形成空化氣泡，其中一部分空化氣泡上浮破碎消散，一部分重新溶于液體，或離開超聲場的共振相位而塌陷?？栈瘹馀莸男纬伞⑺莼蛳跉馀莞浇纬筛邷馗邏?，同時生成巨大的沖擊力和微射流，這種現(xiàn)象稱為超聲波的空化效應(yīng)［1］?？栈?yīng)在材料的浸出、清洗、分散、焊接及金屬熔體處理等方面均有應(yīng)用。

物理學(xué)中定義任何一個系統(tǒng)都存在一個固有頻率。當(dāng)材料受到和固有頻率相同的振動時，材料被激勵形成共振現(xiàn)象，材料內(nèi)部應(yīng)力增加或釋放，其結(jié)構(gòu)便可能被破壞，因此被應(yīng)用到材料疲勞試驗、檢測等領(lǐng)域中。超聲波的機械效應(yīng)和聲流現(xiàn)象可以促進反應(yīng)速率，超聲波在固體介質(zhì)中的傳播機制促進了超聲無損檢測技術(shù)的發(fā)展。此外，超聲波在涂層剝離回收方面也有應(yīng)用。由于超聲波在液體介質(zhì)、涂層和基體材料中的傳播速度不同，速度差會在界面處形成強大的剪切力，從而減小基底和涂層材料之間的結(jié)合強度，使涂層更容易脫落。

本文對超聲波在材料制備、材料加工、材料檢測及材料回收方面的應(yīng)用進行回顧和總結(jié)，并提出超聲波技術(shù)發(fā)展面臨的問題，對超聲波在材料中的應(yīng)用前景進行展望。

1 超聲波在材料制備中的應(yīng)用

1.1 超聲分散

顆粒粒徑越小，顆粒均勻分散的難度就越大。納米顆粒材料的分散性往往很差，如常見的納米金剛石粉末因為粒徑較小、比表面積大，表面存在大量不飽和鍵等因素，會形成較大的表面活性，同時微粉顆粒間的相互作用力及溶液中溶劑的表面張力，使細顆粒在沉降分級的過程中容易與粗顆粒發(fā)生團聚現(xiàn)象，凝聚在一起形成較大尺度的顆粒［2］。大尺寸的顆粒在使用過程中會對工件表面造成嚴(yán)重的影響，出現(xiàn)凸凹、劃傷，甚至造成報廢，對于高精尖制造領(lǐng)域的納米材料影響危害極大。超聲波的空化效應(yīng)可以有效地提高微粉顆粒的分散性，超聲波在液體介質(zhì)中可以產(chǎn)生空化氣泡，空化氣泡的形成、塌陷或消散可以使其附近瞬時溫度達到5000℃、壓力達到500 kPa，這種高溫高壓形成的沖擊力和微射流可以分散團聚的微粉顆粒。

Asadi等［3］分析了不同超聲方式對納米流體分散性能的影響，納米流體經(jīng)過超聲探頭直接分散比超聲浴間接分散具有更好的分散性和粒徑分布，其原因是超聲浴裝置中流體分散具有隨機性，受到空化效應(yīng)的影響減小。而超聲探頭裝置中，強超聲區(qū)位于探頭正下方，超聲效果更強烈、更集中，工藝控制更加穩(wěn)定、重現(xiàn)性好及顆粒分布更均勻（見圖1）。超聲波浴裝置可提供大約20—40 W·L-1的弱超聲波，而超聲波探頭裝置可向探頭下方流體中提供20 000 W·L-1的超聲波。

圖1 超聲處理分解納米顆粒團聚的過程［3］Figure 1 Ultrasonic treatment of the de-agglomeration process of the nano particles

Uchida等［4］將超聲換能器安裝在水箱中形成駐波聲場，通過20 min的聲空化處理，使金剛石顆粒的平均粒徑從5 μm減少到了100 nm以下，并且空化處理后金剛石表面的ζ電位提高，納米金剛石的分散性至少可以維持150 d。王沛等［5］研究了拋光用納米金剛石顆粒在超聲處理后的分散性能并發(fā)現(xiàn)，納米金剛石拋光液中顆粒平均尺寸隨著超聲波作用時間的增加逐漸下降，同時超聲波強度增大和分散時間延長均有利于金剛石顆粒在水介質(zhì)中的分散。徐雅琪等［6］研究了超聲波對碳納米管材料分散性能的影響發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過超聲處理的碳納米管鎂基復(fù)合材料的平均晶粒尺寸可以細化至100 μm以下，晶粒更均勻，團聚形成的大尺寸顆粒數(shù)量和粒徑也較處理之前減小，且碳納米管的抗拉強度、彈性模量比超聲處理前分別提高了11.6%和8.5%，斷裂應(yīng)變降低了16.2%。Reinforcement等［7］對含 有二氧化硅氣凝膠和玻璃泡（SG-PUF）的納米增強顆粒在聚氨酯泡沫（PUF）中進行分散，超聲處理顯著改善了SG-PUF的力學(xué)和熱特性，降低了SG-PUF的應(yīng)變和能量吸收效率，提高了其強度。Mahbubul等［8］測試了不同超聲時間下TiO2-H2O納米流體的分散效果，超聲150 min的分散效果最好，但是超聲處理時間超過150 min后分散的納米顆粒會重新團聚。Zhu等［9］研究了超聲作用時間對CaCO3水納米流體粒徑的影響，超聲時間對顆粒的粒徑分布沒有明顯影響，當(dāng)超聲時間增加到20 min時，CaCO3水納米流體的平均粒徑減小到36 nm，隨著時間繼續(xù)延長粒徑變化不大。

為了增強空化效應(yīng)，超聲波的功率、頻率及作用時間也應(yīng)隨之提高，但是過強的聲場對于一些硬度較低的納米材料容易造成負面影響。Bhaga等［10］發(fā)現(xiàn)當(dāng)金屬長時間處于空化效應(yīng)中時，金屬的表面會因為空化作用產(chǎn)生形變，相位也會發(fā)生變化。Diodat等［11］發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過20 h、19.5 kHz頻率的超聲作用后，石墨系統(tǒng)由于長時間且強烈的空化作用，其內(nèi)部形成了不同的原子排列，產(chǎn)生了各種形狀的化合物。王建強等［12］研究了超聲對環(huán)氧樹脂中碳納米管的影響，超聲波功率提高及作用時間延長，均能使碳納米管的分散效果變好，但設(shè)備功率過高和時間過長會造成碳納米管的損傷斷裂。碳納米管的損傷斷裂是“氣蝕”現(xiàn)象造成的，空化氣泡的產(chǎn)生、破碎會造成碳納米管和液體之間形成速度差，表面流體摩擦產(chǎn)生的粘性力足以切割顆粒，造成碳納米管的斷裂和表面損傷，改變其表面性能［13］。Sesis等［14］使用一種新型聲波反應(yīng)器和原位技術(shù)測量了超聲處理過程中的聲學(xué)空化活性，通過拉曼光譜、原子力顯微鏡表征發(fā)現(xiàn)，空化效應(yīng)可以分為穩(wěn)定空化和慣性空化，前者會導(dǎo)致碳納米管表面的化學(xué)侵蝕，后者則利于碳納米管的分散。Zang等［15］提出了一種減少空化損害的方法，即通過更寬的聲耦合（擴大振子面積和聲波浴等）降低超聲功率密度，功率密度的降低可以提高慣性空化，減少氣蝕，降低納米材料的斷裂和損傷。彭昀［16］發(fā)現(xiàn)，鈦酸鉛壓電陶瓷材料（PZT）在超過1000℃時會熔化結(jié)塊，若使用較低頻率超聲，空化形成的高溫反而會使粒徑增大。他設(shè)計了一種浴槽式脈沖兆赫超聲系統(tǒng)，在分散系統(tǒng)中引入600 kHz以上的超聲波，隨著超聲波頻率的提高，超聲波的空化效應(yīng)降低，聲流作用增強，尺寸超過10 μm的團聚體全部消除。楊柳［17］使用兆赫級超聲法制備納米PZT材料，成功制得粒徑在200—700 nm范圍的立體結(jié)構(gòu)PZT顆粒，且團聚顆粒較少。

超聲波的空化效應(yīng)對顆粒的具有較好的分散效果，應(yīng)用在各種微粉顆粒尤其是納米微粉中（如納米金剛石，碳納米管，陶瓷材料），同時隨著空化原理研究的進展，對于不同材料可以選擇合適的超聲功率、頻率及時間，實現(xiàn)更好的分散效果。

1.2 超聲熔體處理

金屬熔體凝固過程中容易出現(xiàn)粗大柱狀晶、裂紋和氣孔等缺陷，對金屬性能造成影響。傳統(tǒng)的接觸式超聲處理（UST）技術(shù)使用一個超聲探針（見圖2）浸入液體熔體中誘導(dǎo)超聲，依靠超聲的空化效應(yīng)和聲流作用（超聲波在液體介質(zhì)中傳播會發(fā)生聲強的衰減，形成聲壓梯度，引起液體流動，聲流可破壞邊界層加速傳質(zhì)、傳熱）促進熔體脫氣，提高鑄件密度，減少氣孔的生成，并進一步促進形核，細化晶粒，達到組織均勻的目的［18-19］。

圖2 鋁合金超聲熔體處理設(shè)備［19］Figure 2 Ultrasonic aluminum alloy melt processing equipment

Joaquim等［20］研究了超聲處理對鑄造AlSi9Cu3合金的影響，結(jié)果表明：超聲處理可以使AlSi9Cu3合金達到理論密度的98.5%，同時可控制初生Al晶粒的形貌和尺寸，細化和使金屬間相分布均勻，促進共晶Si變質(zhì)，得到尺寸小于50 μm的α-Al晶粒和面積小于10 μm2的共晶Si顆粒；AlSi9Cu3合金經(jīng)T6熱處理后力學(xué)性能大幅提升，特別是延展性得到顯著提高。孫永強等［21］使用2000 W超聲進行Al-2Si熔體除氫處理，經(jīng)過120 s處理的熔體凝固后鑄錠斷面近似呈100%的細小等軸晶，這是由于超聲產(chǎn)生的空化氣泡在上浮脫離熔體過程中可以吸附因?qū)α骱蛿U散遷移至空化氣泡氣-液界面附近的氫原子，并使氫原子之間結(jié)合形成氫分子而進入空化氣泡中，在聲流作用下可促進氣泡流動融合而加快脫出熔體。Huang等［22］在1050鋁 合 金 帶 材 雙 輥 鑄 坯（TRC）工藝中引入超聲處理，結(jié)果顯示在軋制前引入超聲雙輥鑄坯（UA-TRC）工藝可以提高熔體中溶質(zhì)元素的均勻性和流動性，有效地消除邊緣裂紋，促進溶質(zhì)的再分布，抑制中心線偏析，改善帶鋼的中心線偏析和宏觀邊緣裂紋，生產(chǎn)出基體均質(zhì)化的無裂紋帶材。Kim等［23］研究了超聲熔體處理對Al-7Si-2Cu-1Mg合金拉伸性能的影響，超聲處理可以降低固溶處理后的金屬間化合物體積分數(shù)，提高合金強度，同時縮短鎂合金達到最大強度的固溶處理時間，使其達到最大強度的時間從8 h降低到2—4 h。

超聲熔體處理的效率與超聲波設(shè)備的形狀、頻率等參數(shù)密切相關(guān)。Chen等［24］在1060鋁合金連鑄連軋過程中，將L形超聲棒置入添加不同數(shù)量Al-Ti-B變質(zhì)劑的熔融鋁液中，L形超聲棒產(chǎn)生的彎曲振動可以在變質(zhì)劑添加量相同的條件下細化鑄軋帶鋼晶粒、使析出相分布更加均勻和減少夾渣缺陷，從而改善帶鋼力學(xué)性能。賈征等［25］研究了超聲功率2000和3000 W的超聲探頭對7116鋁合金DC（Direct Chill直接冷卻）大鑄錠凝固組織晶粒細化的影響后發(fā)現(xiàn)：兩種探頭單獨作用下均可以細化晶粒，但是只有小部分晶粒尺寸下降，大部分晶粒尺寸未改善；而在兩種探頭疊加作用下，大部分晶粒細化，鑄錠邊緣晶粒尺寸下降60%，1/4直徑部位的晶粒尺寸下降近80%，中心部位晶粒尺寸下降55%。Qi等［26］采用定頻超聲技術(shù)（FUT）和變頻超聲技術(shù)（VUT）對AZ80鎂合金 進 行 直冷鑄造，F(xiàn)UT和VUT均能細化α-Mg晶粒，VUT具有更好的效率，將晶粒尺寸從679—1454 μm減小到150—241 μm，同時提高了晶粒的均勻性，改變了Mg17Al12相的分布。Chen等［27］采用新型交流頻率超聲熔體處理技術(shù)細化晶粒，使用15和20 kHz兩種頻率的超聲設(shè)備交替處理Mg-Al-Si熔體，設(shè)置交替時間分別為30、60和150 s，與傳統(tǒng)的20 kHz單頻超聲熔體處理方法相比，交變頻率增強的空化進一步細化了晶粒，消除了Mg2Si的團聚，提高了AS41鎂合金的抗拉強度和延伸率。

接觸式超聲熔體處理適用于低中溫熔體，并且處理的液態(tài)金屬一般在探針附近的小范圍內(nèi)。針對大量金屬熔體及高溫和活性合金的熔體處理，Koulis等［28］研究了非接觸式超聲熔體技術(shù)，他們在合金熔體中加入高頻調(diào)諧電磁感應(yīng)線圈，由于電磁感應(yīng)線圈會產(chǎn)生快速變化的洛倫茲力，從而激發(fā)誘導(dǎo)超聲壓力波產(chǎn)生空化效應(yīng)，該方法具有傳統(tǒng)超聲處理熔體技術(shù)的脫氣、晶粒細化和分散效果，同時又可以避免電極探針污染熔體，處理更大體積、更高溫度的熔體。但是非接觸式超聲熔體技術(shù)是一個動態(tài)系統(tǒng)，空化過程并不是恒定的，這種現(xiàn)象會增加能耗。Tonry等［29］針對非接觸式超聲處理熔體中聲速變化引起的空化共振間斷現(xiàn)象進行了研究，建立了可以引入超聲共振的數(shù)值模型聲場，通過實驗證實了模型可以準(zhǔn)確預(yù)測工藝參數(shù)的最佳范圍，通過微調(diào)線圈的交流供電頻率可以引起共振現(xiàn)象，在最小電能的情況達到空化壓力闕值，實現(xiàn)更好的超聲處理效果。超聲還可以與其他技術(shù)耦合，進一步提高熔體處理水平。費卓銘等［30］對鋁合金熔體進行超聲與電磁場耦合處理的數(shù)值模擬及試驗，數(shù)值模擬結(jié)果表明超聲與電磁場耦合作用下鋁合金凝固熔體的晶粒比超聲單獨處理時進一步細化，同時試驗結(jié)果驗證了數(shù)值模擬的合理性。超聲波的空化效應(yīng)和聲流作用可以促進金屬熔體的均勻化，細化晶粒，促進組織均勻性。

目前，超聲熔體處理主要是接觸式超聲，作用于較少量的低中溫熔體。通過在合金熔體中引入高頻調(diào)諧電磁感應(yīng)線圈，這種非接觸式超聲可以處理更大體積和更高溫的金屬熔體。此外，通過數(shù)值模擬解決了非接觸式超聲熔體技術(shù)中聲速變化引起的空化共振間斷現(xiàn)象，進一步提高了熔體處理效果。

2 超聲波在材料加工中的應(yīng)用

2.1 超聲焊接

超聲波焊接是一種復(fù)合材料連接技術(shù)，主要包括熱塑性超聲焊接和金屬超聲焊接等。

2.1.1 熱塑性超聲焊接

熱塑性超聲焊接是通過安裝在變幅桿前端的工件將高頻振動的機械能轉(zhuǎn)化為熱能，使塑料溫度提高至熔點將組件粘結(jié)在一起［31］。圖3為超聲焊接設(shè)備示意圖。

圖3 超聲焊接設(shè)備簡圖［31］Figure 3 Schematic diagram of ultrasonic welding equipment

超聲焊接可以焊接不同的熱塑性塑料，如尼龍、聚醚醚酮（PEEK）、聚乙烯亞胺（PEI）、聚丙烯（PP）等，并具有良好的焊接效果。根據(jù)超聲距離，超聲波焊接又分為遠場焊接和近場焊接。超聲近場焊接，接頭的距離不超過6.35 mm，一般用于軟質(zhì)和多孔熱塑性塑料；超聲遠場焊接，接頭的距離超過6.35 mm，一般用于剛性和非晶熱塑性塑料，而20 kHz頻率的超聲波發(fā)生器適用于大多數(shù)熱塑性復(fù)合材料的焊接［32］。Wang等［33］研究了固定超聲頻率下不同焊接時間對碳纖維增強PEEK復(fù)合材料焊接強度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：焊接時間超過0.7 s后，焊接質(zhì)量隨時間增加逐漸提高，0.9 s是焊接質(zhì)量最好的時間；焊接時間超過1.1 s，焊接界面會形成較大的裂紋和空洞。Kumar等［34］對玻璃纖維增強聚酰胺復(fù)合材料（GF/PA）層板進行了超聲波焊接，焊接后材料的重量損失可以忽略不計，并且降解溫度遠高于材料熔點，適用于高溫應(yīng)用。Leong等［35］研究了碳/鈰復(fù)合材料層板的超聲波焊接特性，超聲焊接復(fù)合接頭的搭接剪切強度為17.5 MPa，比粘接接頭的14.2 MPa提高 了23%。Gao等［36］采 用超聲振動對焊接的碳纖維增強尼龍66復(fù)合材料焊縫進行修復(fù)，改善了焊縫的準(zhǔn)靜態(tài)性能，減少了焊縫結(jié)果的分散。Jiromaru等［37］研究了聚丙烯和聚甲基丙烯酸甲酯在不同超聲頻率下的連接強度，高頻（67—180 kHz）焊接的連接強度高于低頻（27和40 kHz）焊接的連接強度。Skorová等［38］評估了焊接長度對PP材料焊接強度的影響，證明焊接長度的增加并不能增加焊接強度。

2.1.2 超聲金屬材料焊接

超聲金屬材料焊接是將表面機械振動耦合到夾緊系統(tǒng)施加的壓力，打破接觸面間的氧化層，同時在接觸區(qū)域產(chǎn)生熱量，使材料軟化，隨著微焊縫擴展到整個焊縫界面，促進焊縫的形成。Tilahun等［39］發(fā)現(xiàn)，造成超聲焊接極端變形的關(guān)鍵是快速位錯同化促進的動態(tài)擴散，這種擴散現(xiàn)象會降低原材料金屬的熔點，證明了超聲波焊接“熔化焊接”的觀點。Bates等［40］推導(dǎo)了焊縫界面剪切應(yīng)變率與超聲波頻率之間的依賴關(guān)系，得到了焊接所需要的超聲波頻率范圍，證明20 kHz是金屬焊接通常采用的頻率。

超聲波金屬焊接的低熱量輸入可緩解鋁合金局部變形、性能惡化的問題，同時也適用于鋁-鎂合金異種連接。曹秒艷等［41］對6061鋁合金和AZ31B鎂合金板材進行超聲焊接試驗并發(fā)現(xiàn)，在超聲波焊接過程中，焊接面間的焊接線分為弱連接、波浪形、折疊形3個階段，波浪形階段具有最好的焊接效果和力 學(xué) 性 能。Takehiko等［42］使 用A5052含 鎂 鋁 合 金板材和SS400低碳鋼板材，研究了超聲輔助對鋁/鋼釬焊焊接強度的影響，結(jié)果表明：當(dāng)夾緊力為588 N時，2.5 s的釬焊時間可以達到最佳的焊接強度；當(dāng)夾緊力大于588 N時，焊接時間超過3 s時接頭強度便會降低，其原因是Fe2Al5金屬間化合物在焊接界面處形成。金屬焊接過程中，不同的金屬或合金組合中會形成金屬間化合物（IMCs）并沉淀，IMCs通常會導(dǎo)致冶金破壞以及焊縫和機械性能的惡化，降低接頭強度，選擇可以生成較薄IMCs層的原材料金屬能夠減少IMCs的生成，提高接頭強度。Patel等［43］將錫作為中間層放置在鎂和鋼之間，焊縫剪切強度明顯高于無錫中間層的鎂鋼接頭。Hong等［44］使用超聲輔助攪拌摩擦焊技術(shù)，對6061-T6鋁與301L鋼合金進行焊接發(fā)現(xiàn)，機械攪拌和超聲振動的雙重作用使鋁材料強塑性流動抑制了焊接界面Al-Fe IMCs的過度生長。

超聲波焊接中的超聲功率、方向和頻率等工藝參數(shù)至關(guān)重要，而焊接過程中由于溫度變化急劇、塑性變形嚴(yán)重、接觸面復(fù)雜等原因，無法采集到實時數(shù)據(jù)，因此需依靠數(shù)值模擬來獲得這些參數(shù)已優(yōu)化超聲波焊接工藝。最常見的數(shù)值模擬方法是熱力耦合模擬，其已經(jīng)成功地用于分析超聲金屬焊接過程［45］。李歡等［46］使 用 有 限 元 方 法模擬及分析了Cu-Al超聲焊的過程，結(jié)果表明銅和鋁的塊體溫度均低于熔點，Cu-Al連接界面最高溫度出現(xiàn)在焊接區(qū)域中心處。Shen等［47］研究了多層復(fù)合材料超聲焊接中的動態(tài)行為并建模和仿真，結(jié)果表明：當(dāng)超聲焊接頻率為20 kHz時，在短焊接時間（0.1—0.5 s）內(nèi)，使用ABAQUS/Explicit軟件進行有限元模擬；當(dāng)焊接時間大于0.5 s，使用ABAQUS/Explicit和DEFORM軟件混合的方法進行有限元模擬，這不僅降低ABAQUS/Explicit軟件的計算成本，同時還證實了兩種模型的準(zhǔn)確性。

熱塑性超聲焊接主要分為遠場焊接和近場焊接，對軟質(zhì)、剛性、多孔非晶等熱塑性塑料具有良好的焊接效果。超聲金屬焊接被應(yīng)用在多種金屬材料中，但是超聲材料焊接過程中由于溫度變化、塑性變形、接觸面復(fù)雜等原因，無法采集到實時數(shù)據(jù)去選擇合適的超聲功率、方向和頻率等工藝參數(shù)，需要大量的實驗去驗證，費時費力，而熱力耦合模擬的應(yīng)用可以獲得焊接過程中準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，更好的選擇工藝參數(shù)，提升焊接效果。

2.2 超聲磨料加工

超聲磨料加工（見圖4）是通過超聲波振動工具產(chǎn)生的機械效應(yīng)、空化效應(yīng)等使磨料液體介質(zhì)或干磨料中的磨粒對工件表面錘擊、拋光、沖擊，達到去除或修整工件表面材料和形狀的目的（水是最常用的介質(zhì)，磨料一般選擇碳化硼、氧化鋁、碳化硅和金剛石顆粒），或直接對鑲嵌磨料的刀具或工件施加某一特定方向的超聲振動進行加工［48］。材料的硬度大于40 HRC時，可以有效地進行超聲波加工，因此超聲加工通常用于工業(yè)中使用的非晶、硬脆性難切削材料（玻璃、陶瓷、鈦、鈦合金等）。近年來，超聲波振動被廣泛用于開發(fā)具有復(fù)雜幾何形狀、精密微結(jié)構(gòu)及較高表面光潔度要求的材料系統(tǒng)中，是現(xiàn)代加工行業(yè)的重要發(fā)展方向。

圖4 磨料沖擊超聲加工示意圖［48］Figure 4 Schematic diagram of ultrasonic impact grinding［48］

超聲加工形成的切削力小、切削熱低、刀具磨損小、表面粗糙度高、穩(wěn)定性強、效率高。超聲加工對于脆硬材料主要通過斷裂效應(yīng)產(chǎn)生侵蝕，對于韌性材料通過剪切效應(yīng)產(chǎn)生侵蝕。侵蝕包括磨料顆粒直接敲擊工件表面的機械磨損、自由運動的磨粒的沖擊產(chǎn)生的微小碎片，以及磨料漿體中的空化效應(yīng)［49］。同時，磨料漿體的適當(dāng)流動可以提高材料去除率。超聲加工中刀具旋轉(zhuǎn)形成重疊軌跡切割材料，并且在軸向方向產(chǎn)生振蕩，從而降低切削溫度和刀具磨損，使表面粗糙度略有降低，切削力也隨著加工過程而降低，因此超聲波加工在刀具磨損和表面光潔度方面優(yōu)于傳統(tǒng)加工，可產(chǎn)生傳統(tǒng)加工無法獲得的高表面質(zhì)量。

2.2.1 超聲輔助磨削

超聲輔助磨削通過超聲振動作用在工件上，使其沿著縱軸和彎曲軸振動，振動過程中磨削方向的反轉(zhuǎn)會導(dǎo)致切屑在切削循環(huán)中塑性流動，從而起到潤滑、減小磨削力、降低磨削工具損耗的作用。Zhang等［50］發(fā)現(xiàn)，在超聲輔助磨削加工中，較高的砂輪速度會削弱超聲振動而減小磨削力，超聲振幅和頻率的提高也有助于減小磨削力。目前，硬脆性材料的超聲輔助磨削加工通常采用接觸式超聲磨削，接觸式超聲波磨削需要精確控制磨削工具在工件上的預(yù)壓力，當(dāng)預(yù)壓力控制不當(dāng)時容易磨損工件。Huang等［51］提出了一種非接觸超聲磨削方法，對藍寶石晶片進行了非接觸超聲磨削實驗，表明與接觸磨削相比，非接觸式超聲磨削使藍寶石晶片表面粗糙度降低48.6%，材料去除量為12.9 mg，同時加工效率和工件表面質(zhì)量均勻性方面均得到提高。

2.2.2 超聲輔助鉆削

超聲輔助鉆削硬脆材料時，一般使用游離磨料，通過游離于液體中的磨料對工件表面加工，而塑形材料的加工一般使用麻花鉆超聲振動鉆削［52］。超聲工具頭鉆桿沿軸向以一定頻率振動，同時主軸做旋轉(zhuǎn)運動，通過軸向進給運動使鉆桿端面上的磨粒對工件進行高頻撞擊和磨削，高頻振動的引入使鉆削過程中刀具不斷與工件接觸和分離，形成間歇式的切削過程，促進切屑斷裂和冷卻液流入，降低鉆削力、扭矩、溫度，減小鉆桿磨損，降低加工孔的表面粗糙度［53］。

2.2.3 超聲輔助切削

超聲輔助切削加工是在切削刀具上施加超聲振動，通過機械切削作用和高頻撞擊作用進行材料的去除，在加工過程中磨粒漿料被連續(xù)送入刀具和工件之間充當(dāng)切削工具。超聲波輔助切削可以顯著降低切削力、更好地去除切屑和減少刀具磨損，適用于高硬度金屬合金，脆性塑料等材料的切割［54］。高速超聲加工是近年來發(fā)展起來的超聲加工技術(shù)，高速超聲加工可以超過傳統(tǒng)超聲的臨界切削速度，并且具有優(yōu)異的切削效果。張德遠等［55］首先提出了高速超聲振動切削（high-speed ultrasonic vibration cutting，HUVC），高速超聲振動切削鈦合金和鎳基高溫合金等難加工材料的切削速度比常規(guī)車削速度高出3—6倍。

2.2.4 超聲拋光加工

超聲拋光加工的傳統(tǒng)方式如圖5所示。工件固定不動，僅通過超聲作用下磨粒的運動對工件表面進行拋光。萬宏強等［56］研究了超聲復(fù)合拋光加工技術(shù)，超聲復(fù)合拋光中的工件會在振動作用下做垂直方向的周期性運動，磨料和工件之間形成速度差，相對運動使工件表面頻繁的被磨粒刮擦、碰撞，提高了接觸面積，因此超聲復(fù)合振動拋光的加工效率是純超聲波拋光的3倍以上，工件表面粗糙度可以降低14.3%，達到0.08—0.16 μm，工件表面材料去除量提高24.5%。

圖5 超聲拋光加工裝置示意圖［56］Figure 5 Schematic diagram of ultrasonic polishing device

傳統(tǒng)超聲加工適用于加工硬脆材料，旋轉(zhuǎn)超聲加工（RUM）是一種新型混合加工工藝，RUM可以進一步降低切削力，提高加工表面質(zhì)量。RUM中金剛石磨料被浸漬在旋轉(zhuǎn)鉆頭的頂端，其替代傳統(tǒng)超聲中的磨料漿料，以減少磨粒分布造成的加工誤差，鉆頭旋轉(zhuǎn)時在超聲波振動頻率下以恒定的進給速度（或恒定的壓力）向工件軸向進給，在切削區(qū)不會產(chǎn)生熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力，也不會發(fā)生化學(xué)變化和熱變化，工件表面上也不會出現(xiàn)冶金變化，表明RUM可鉆削脆性材料（如氧化鋁、氧化鋯、硅、碳化硅等）、韌性材料（鈦和不銹鋼合金）和復(fù)合材料（陶瓷基復(fù)合材料和碳纖維［57］）。超聲波振幅是RUM中最重要的輸入變量之一，幾乎影響了RUM中的所有輸出變量。Wang等［58］通過切削力建立了脆性材料RUM中的機械振幅模型并通過實驗驗證了模型，表明模型模擬的超聲振動幅值與實驗值沒有明顯的差異，同時模型可以提供超聲振動幅度與輸入變量之間的關(guān)系，可預(yù)測RUM中其他輸出變量。Fernando［59］研究了 刀 具 固 有 頻率對RUM中 超聲振幅的影響并發(fā)現(xiàn)，刀具固有頻率對超聲振動幅度有顯著的影響，其固有頻率接近超聲波頻率（20 kHz）的刀具在每種超聲波功率下均可以達到最高的超聲波振動幅度。

傳統(tǒng)的超聲磨料加工包括超聲磨料磨削、切削、鉆削、拋光等，通常用于非晶、硬脆性難切削材料。為了獲得更好的加工效率和加工質(zhì)量，出現(xiàn)了一些新加工技術(shù)。高速超聲振動切削，其比常規(guī)車削速度高出3—6倍；超聲復(fù)合振動拋光，其加工效率是純超聲波拋光的3倍以上；旋轉(zhuǎn)超聲加工（RUM），其可對脆性材料和復(fù)合材料進行加工，并且加工出的材料不會出現(xiàn)冶金變化。

2.3 超聲復(fù)合加工

超聲波復(fù)合加工技術(shù)與其他加工技術(shù)相結(jié)合，可以綜合兩種工藝的優(yōu)點，進一步提高加工精度、效率和質(zhì)量。超聲波電火花復(fù)合加工技術(shù)是超聲波加工與電火花加工（EDM）技術(shù)相結(jié)合的新型加工技術(shù)，主要包括超聲波電火花線切割復(fù)合加工和超聲波電火花復(fù)合拋光。

超聲波電火花線切割復(fù)合加工又分為電極絲振動和工件振動2種類型。電極絲振動是將超聲波振動施加到電極上，在切割方向和垂直切割方向上振動，工件振動是將超聲波振動施加在工件上，電極絲振動和工件振動均能提高超聲波復(fù)合加工效率和加工質(zhì)量。林本剛等［60］使用工件超聲振動電火花加工技術(shù)加工鎳基高溫合金，與普通EDM相比，該技術(shù)加工的工件表面粗糙度降低約10%，在特定參數(shù)下甚至可降低30%，平均加工速度可以提高13%以上。趙玉田等［61］使用電極絲超聲復(fù)合電火花混合介質(zhì)加工TC4鈦合金，在混合介質(zhì)電火花加工過程中加工速度提高了20.7%，表面粗糙度值降低了11.1%。

超聲波電火花復(fù)合拋光是靠超聲拋磨和電火花放電來修整工件表面，除了拋光頭的振動外，還需在工件和拋光頭之間加脈沖電壓和介質(zhì)-工作液，工具對工件的拋磨和放電腐蝕是交錯進行的。工作液的電解效應(yīng)可以使陽極工件在拋光時產(chǎn)生陽極溶解，超聲空化效應(yīng)會使工件表面產(chǎn)生軟化，從而加速表面金屬材料的剝落，同時空化作用使得電火花放電加工的分散性大大增加，提高了火花放電的影響［62］。

2.4 超聲擠壓加工

超聲擠壓加工是一種新型表面強化技術(shù)，傳統(tǒng)擠壓工藝可以減少工件表面的微觀缺陷而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，使工件金屬硬化而提高疲勞強度，其可進一步降低工件表面粗糙度、細化晶粒、減少工具損耗［63］。超聲擠壓加工（見圖6）時，可對工件施加超聲振動。超聲振動產(chǎn)生的應(yīng)力可與模具靜應(yīng)力相加，從而細化晶粒、促進金屬變形，超聲能可被晶界和位錯吸收，使變形抗力下降，提高塑性；超聲振動會在工件之間產(chǎn)生離合作用，降低工具頭和工件間的摩擦系數(shù)，減少工具頭損耗；超聲振動使金屬材料晶粒間產(chǎn)生離合作用，促進晶間滑移，使晶粒變得更均勻，利于金屬變形；超聲能使金屬表面活化，促進潤滑劑流動，增強潤滑效果。程明龍等［64］發(fā)現(xiàn)，超聲擠壓時高擠壓速度下晶粒細化程度不明顯，低擠壓速度則可以更好的細化晶粒，因此在小的擠壓速度、較大的超聲振幅下，可以得到更深的流變組織，從而在工件表面產(chǎn)生寬度較細的疊層纖維組織，促進表面組織的有效細化。

圖6 超聲振動滾擠壓基本原理示意圖［64］Figure 6 Schematic diagram of the working principle of ultrasonic vibration roll extrusion

3 超聲波在材料檢測中的應(yīng)用

3.1 疲勞試驗

材料的疲勞失效是材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織在循環(huán)交變應(yīng)力的作用下逐漸發(fā)生變化而產(chǎn)生裂紋損傷，裂紋擴展到一定程度后，會在其內(nèi)部產(chǎn)生損傷的累積，材料產(chǎn)生疲勞斷裂［65］。傳統(tǒng)的材料疲勞測試，一般是在振動載荷頻率為1×107次循環(huán)周期下進行。但在某些特定的環(huán)境下，如飛機、火車、輪船工作時，由于自身高速運轉(zhuǎn)、聲波振動及空氣動力學(xué)等因素，會使自身的工件承受高頻率、小振幅的載荷，這種載荷周期往往會超過1×109次，會引起材料疲勞斷裂而造成工件失效，從而引發(fā)事故，因此超高周疲勞實驗的應(yīng)用便尤為重要。超聲波的頻率大于15 kHz時，其已遠高于傳統(tǒng)加載頻率，能夠大幅減少測試時間。超聲疲勞實驗的首次應(yīng)用是于1950年，Mason［66］利用壓電陶瓷磁致伸縮原理，使疲勞實驗頻率達到了20 kHz，并根據(jù)超聲諧振波傳播原理和共振理論建立了超聲疲勞測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于材料疲勞壽命曲線（S-N曲線）的測定，以及疲勞裂紋擴展行為和腐蝕疲勞測量中。在超聲疲勞實驗中，組成試驗諧振系統(tǒng)的換能器、變幅桿、試樣應(yīng)滿足諧振條件，即具有相同的固有頻率（見圖7），實驗裝置一般包含超聲發(fā)生器、換能器、變幅桿等。

圖7 超聲諧振波傳播原理示意圖［66］Figure 7 Schematic diagram of the propagation principle of ultrasonic resonant wave

基于低頻振動測試結(jié)果，研究者普遍認為材料疲勞裂紋的產(chǎn)生是從材料表面開始的，但是隨著超聲技術(shù)在材料疲勞斷裂實驗中應(yīng)用的發(fā)展，超聲疲勞試驗證明材料裂紋產(chǎn)生的機制為裂紋從材料表面產(chǎn)生和裂紋從內(nèi)部無損傷部位產(chǎn)生。因材料自身的特性，在超聲加載實驗和低頻振動實驗中測量得到的疲勞性能可能會出現(xiàn)差異。吳濤等［68］對纖維增強樹脂基復(fù)合材料（FRP）進行了超聲高頻加載，在超聲加載過程中材料出現(xiàn)了基體裂紋、分層及纖維斷裂等損傷。HOSOI等［69］發(fā)現(xiàn)，超高周疲勞載荷下碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）分層損傷會先于或與基體裂紋同時擴展，超高周疲勞載荷下材料內(nèi)部的應(yīng)力集中會直接導(dǎo)致分層損傷的產(chǎn)生。Szczepanski等［70］研究了在20 Hz和20 kHz的循環(huán)載荷下α-β鈦合金（Ti6Al2Sn4Zr6Mo）的疲勞性能，兩種頻率下裂紋均在α晶粒內(nèi)部先出現(xiàn)，且20 Hz和20 kHz的S-N曲線沒有明顯差異，α-β鈦合金的疲勞壽命對于超聲頻率的變化不敏感。Fitzka等［71］研究了混凝土在19 kHz和60 Hz循環(huán)頻率下混凝土的S-N曲線，由于19 kHz循環(huán)頻率下循環(huán)應(yīng)力的降低及應(yīng)變速率的增加，混凝土的疲勞壽命會高于60 Hz頻率的壽 命。Fitzka等［75］使 用95 Hz和20 kHz的 循 環(huán) 頻率，對18Ni馬氏體時效鋼氮化后進行疲勞實驗發(fā)現(xiàn)，相同形狀試樣在95 Hz和20 kHz循環(huán)頻率下SN曲線相似，對于不同形狀的具有不同應(yīng)力體積的樣本，大樣本的平均壽命比小樣本的平均壽命低一個數(shù)量級，馬氏體時效鋼存在強烈的尺寸效應(yīng)。此外，馬氏體不銹鋼超高周疲勞實驗的多項研究［76-78］均證明：當(dāng)馬氏體不銹鋼材料失效由非金屬夾雜等固有缺陷造成時，超聲頻率不會影響疲勞壽命；奧氏體不銹鋼AISI904L制成的管狀試樣，在160—200 Hz下的彎曲疲勞實驗和在20 kHz下的超聲疲勞實驗中的S-N曲線沒有明顯差異，不存在頻率效應(yīng)。鎳合金、鎂合金、石墨及玻璃纖維增強聚合物，在超聲疲勞實驗與伺服液壓實驗中的疲勞壽命相同，均不存在頻率效應(yīng)，高頻疲勞實驗均適用于這些材料［79-81］。

試樣的形狀會影響超聲疲勞測試的結(jié)果，Pedro等［83］通過有限元模態(tài)分析了不同形狀鐵素體-珠光體鋼試樣的疲勞壽命，在20 kHz循環(huán)頻率下鐵素體-珠光體鋼的疲勞壽命提高，多軸試件相較于單軸試件的頻率效應(yīng)進一步增強。疲勞壽命和疲勞斷裂行為與外加溫度有關(guān)，羅娟等［84］對復(fù)雜環(huán)境下材料的超高周疲勞試驗進行研究，在開發(fā)的高溫超聲疲勞實驗系統(tǒng)中分別于室溫、250和350℃下進行疲勞試驗，發(fā)現(xiàn)高溫加快了試樣的斷裂，同時也加速了裂紋的萌生，疲勞極限隨溫度的升高而減小。

基于超聲波的諧振波傳播原理和共振理論建立了超聲疲勞測試系統(tǒng)，成為材料超高周疲勞檢測領(lǐng)域中最主要的檢測手段。目前，超聲疲勞的應(yīng)用主要問題在于所試驗的材料是否存在頻率效應(yīng)，即高低頻下具有不同的疲勞壽命，同時材料的形狀、實驗溫度都會引起實驗結(jié)果的變化。研究人員通過大量的研究，證明了鎳合金、鎂合金、石墨等材料不存在頻率效應(yīng)，還證實了溫度對疲勞裂紋的影響，拓展了超高周疲勞試驗的應(yīng)用范圍。

3.2 超聲波探傷

超聲檢測是利用超聲波頻率高、波長短、穿透能力強、可以定向傳送，以及在界面上產(chǎn)生反射和折射及波形轉(zhuǎn)換的特性，檢測材料內(nèi)部缺陷的方法。超聲檢測方法主要分為接觸式超聲檢測和非接觸式超聲檢測，接觸式超聲檢測包括常規(guī)超聲檢測、超聲導(dǎo)波檢測和超聲陣列檢測，非接觸式超聲檢測有電磁超聲檢測、激光超聲檢測、空氣耦合檢測等［85］。

常規(guī)超聲檢測中超聲波由探頭傳入測試材料，當(dāng)超聲波傳播過程中遇到損傷或缺陷，便會產(chǎn)生反射，反射波被探頭接收后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理形成沖擊波形，再通過反射波的形狀進一步判斷缺陷的類型、大小、位置等。接觸式檢測系統(tǒng)的靈敏度和分辨率較高，但是在探頭和測試材料表面需要液體耦合劑，探頭與測試材料的接觸狀態(tài)，測試材料表面的形態(tài)對測量結(jié)果有非常大的影響，并且耦合劑會造成試樣的污染及破壞損傷，使檢測結(jié)果出現(xiàn)誤差。

超聲導(dǎo)波檢測主要用于較長管道和鋼軌的缺陷損傷檢測［86］。超聲導(dǎo)波檢測相較于傳統(tǒng)檢測傳播距離更長、超聲衰減更少，但是超聲導(dǎo)波在傳播中可能存在許多模式波形，大多數(shù)基于超聲導(dǎo)波的無損評估需要繁瑣的計算步驟實現(xiàn)。Michaels等［87］利用啁啾激勵進行多個頻率下的超聲導(dǎo)波測試，在最小采集時間內(nèi)實現(xiàn)了較高的信噪比和分辨率。路祥等［94］用超聲導(dǎo)波進行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的疲勞損傷探測，通過PZT壓電元件和馬氏平方距離確定疲勞損傷的產(chǎn)生與發(fā)展，有效地判斷了復(fù)合材料中疲勞損傷的發(fā)生。

超聲波陣列檢測由多個單獨連接元件的換能器組成。超聲波陣列在提高檢測質(zhì)量和縮短檢測時間方面具有巨大的潛力，與單探頭超聲檢測方法相比有更高的靈活性，并且能夠即時生成測試結(jié)構(gòu)的圖像，提高結(jié)果的準(zhǔn)確性［88］。

電磁超聲檢測的超聲波由導(dǎo)電介質(zhì)的電磁感應(yīng)在測試材料中激發(fā)產(chǎn)生，因此主要應(yīng)用于金屬材料的管道裂紋檢測、脫粘缺陷檢測、焊縫檢測及鋼軌檢測等方面。由于電磁超聲檢測為無表面接觸、無需耦合劑，所以能夠快速準(zhǔn)確的檢測材料損傷［89］。周海強等［90］使用電磁超聲共振法（EMAR）用于環(huán)-含能復(fù)合材料的脫粘缺陷檢測（見圖8）時發(fā)現(xiàn)：超聲波在發(fā)射至粘接良好部位時，大多數(shù)超聲可以傳至膠粘層和基底，少部分超聲波能量會在基層發(fā)生反射，無法形成共振；超聲波在發(fā)射至脫粘區(qū)域時，超聲在金屬層下表面發(fā)生全反射，形成強烈的共振效應(yīng)和重復(fù)反射，根據(jù)超聲檢測信號的幅值和能量大小可準(zhǔn)確識別脫粘區(qū)域。

圖8 界面脫粘缺陷電磁超聲共振檢測方法［90］Figure 8 Adhesive debonding inspection with the electromagnetic ultrasonic resonance method［90］

空氣耦合超聲檢測系統(tǒng)主要用于層狀復(fù)合材料的無損探傷，空氣耦合超聲檢測是一種用空氣作為耦合介質(zhì)的檢測方法，可以減少接觸式超聲檢測耦合劑的影響。但是由于傳播介質(zhì)的變化，在空氣中產(chǎn)生高振幅聲波需要重新設(shè)計換能器［91］。多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)的材料，由于反射波的疊加和材料聲阻抗的差異，超聲波檢測會更加困難。危荃［92］、董方旭等［93］分別使用自制的空氣耦合超聲換能系統(tǒng)對多種復(fù)合材料（蜂窩夾芯和蒙皮蜂窩夾芯材料、陶瓷基和環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料、碳纖維等）進行測試，其結(jié)果準(zhǔn)確，同時具有很高的分辨力和信噪比。

Kim等［95］使用超聲共振方法，放大超聲波去測試多層結(jié)構(gòu)橡膠與膠粘劑之間的脫粘界面。當(dāng)超聲波頻率和復(fù)合材料層頻率相近時產(chǎn)生的共振效應(yīng)會減少聲波損失，提高實驗精度。

超聲波在不同材料中的傳播行為有著巨大差異，探明超聲波在各種材料中的傳播行為對于超聲波檢測技術(shù)的成功應(yīng)用至關(guān)重要。通過有限元分析建立模型進行數(shù)值模擬來研究超聲波的傳播行為是一種較為準(zhǔn)確的方式，從而進一步應(yīng)用在復(fù)雜形狀的復(fù)合材料無損測試中。徐志祥等［96］對鎳涂層鋁板的超聲檢測進行了有限元方法模擬發(fā)現(xiàn)，超聲波在涂層中的傳播會發(fā)生色散現(xiàn)象而形成高頻聲波，超聲波傳播到缺陷時則發(fā)生反射與透射，超聲掃描圖像在缺陷區(qū)域會形成一條直線。楊理踐等［97］對超聲波在鋼板和防腐涂層內(nèi)的傳播進行了ANSYS仿真研究，驗證了超聲波的縱波和橫波在鋼板內(nèi)傳播時出現(xiàn)了模式轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，根據(jù)這種傳播規(guī)律和雙層介質(zhì)交界面處的應(yīng)力、位移連續(xù)條件，可以得出超聲波在雙層介質(zhì)中的波動方程。Ryuzono等［98］通過數(shù)值模擬，建立了人工裂紋鋁板中超聲波傳播的模型，利用兩個方向的超聲波傳播數(shù)據(jù)高精度地識別損傷，計算出鋁板實際損傷狀態(tài)。Maio［99］和Moon［100］分別對石墨/環(huán)氧復(fù)合材料板中超聲波的傳播進行了數(shù)值模擬和分析實驗，確定了超聲波在復(fù)合層壓板傳播中的特征。Shivaprasad等［101］使用有限元法、射線追蹤法和時域有限差分法，研究了超聲波在多晶介質(zhì)中的傳播，證實了這些方法可以更好地理解在具有簡單和復(fù)雜晶粒形貌的材料中超聲波傳播的相互作用，同時可以擴展到紋理介質(zhì)、雙相材料中超聲波的傳播研究，以及在通過微孔、微裂紋時超聲波的相互作用。

超聲波探傷檢測形式多樣，在各種材料的無損檢測中具有較好的效果，但是隨著材料工藝的不斷發(fā)展，材料本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得超聲檢測更加困難。一些新型換能器的發(fā)明和數(shù)值模擬，以及對超聲波在不同類型材料中傳播行為的分析，進一步優(yōu)化了無損檢測系統(tǒng)，提高了超聲波探傷檢測的應(yīng)用范圍和準(zhǔn)確度。

4 超聲波在材料回收中的應(yīng)用

資源的回收利用一直是工業(yè)中的關(guān)鍵問題。機械回收處理效率低、能耗大，熱處理回收容易引起能源消耗和空氣污染，有機溶劑溶解和浮選方法在二次污染和化學(xué)試劑浪費方面存在一定的局限性。超聲波作為一種無污染、低能耗、低成本的技術(shù)手段，在材料回收領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣。

4.1 超聲輔助浸出

超聲波輔助浸出是提取物質(zhì)的一種有效方法，超聲波能加速各種固-液化學(xué)反應(yīng)速率和強化傳質(zhì)過程，主要是通過超聲波的機械效應(yīng)（聲流、沖擊波和微射流）、熱效應(yīng)（局部高溫高壓）、活化效應(yīng)（水溶液中產(chǎn)生自由基）3種效應(yīng)實現(xiàn)的［102］。超聲波的機械效應(yīng)可形成攪拌作用，增強物質(zhì)擴散能力；超聲波的空化效應(yīng)可在水溶液或有機溶液和固體基質(zhì)之間的界面處產(chǎn)生高溫高壓，加快物質(zhì)滲透和傳輸，提高溶解度和擴散性；超聲作用下的水溶液可產(chǎn)生自由基（H-，OH-，O-），自由基的氧化能力可以提高萃取能力。超聲頻率的變化，會使浸出體系中出現(xiàn)不同的效應(yīng)（見圖9），超聲輔助浸出一般使用中頻超聲。超聲波輔助浸出，一般分為水浴式超聲輔助和探頭式超聲波輔助，探頭式超聲的效果明顯優(yōu)于水浴式超聲，能夠更有效的浸出物質(zhì)。

圖9 超聲波頻率范圍及各頻段主要作用［102］Figure 9 Ultrasonic frequency range and the main functions of each frequency band

郭雅峰等［103］使用超聲輔助在強極性溶劑（DMAc）中溶解鋰離子電池正極涂層并回收正極材料（鈷、鋁及鋰），經(jīng)過20 min的超聲作用和60 min的靜置后，10 mL的DMAc可 以 從1.5 g正極材料中回收1.14 g的鈷酸鋰及乙炔黑。Zhao等［104］使用超聲處理輔助回收廢舊鋰離子電池中的LiCoO2，在最佳工藝條件下，當(dāng)超聲功率為270 W時，超聲處理后分離回 收 的LiCoO2比 例 可 達99.98%。Li等［105］研究了超聲輔助浸出碳化硼廢渣中鐵的工藝條件，當(dāng)其余工藝參數(shù)相同時，80 min常規(guī)浸出和50 min超聲輔助，浸出鐵的最大浸出率分別為87.4%和94.5%。Kong等［106］研究了超聲輔助下去除硅粉廢渣中鐵的工藝，結(jié)果表明：與常規(guī)浸出相比，相同除鐵率下浸出時間可以縮短37.5%；當(dāng)超聲頻率為80 kHz、超聲功率270 W、反應(yīng)溫度60℃、酸濃度（質(zhì)量分數(shù)）12%時，鐵的去除率可以達到95.24%。Utomo等［107］利用超聲波清洗機輔助酸浸，從石油生產(chǎn)廢料中回收鉑。Lim等［108］對比了傳統(tǒng)機械攪拌法與超聲輔助浸出法提取廢硅負載鎳氫化催化劑中鎳的能力，當(dāng)超聲振幅為20%時超聲輔助浸出法的回收率低于機械攪拌法，當(dāng)超聲波振幅大于20%時該法的鎳回收率提高，同等條件下回收70%鎳的時間可以減少2 h。Zhang等［109］以鹽酸作為浸出劑，使用超聲輔助從廢棄液晶顯示器中回收銦，超聲空化效應(yīng)形成的高壓區(qū)加速了In和Al的浸出，最佳工藝條件下銦的回收率可達96%。陳豐羽［110］通過超聲輔助強化H2SO4酸浸脫除制革污泥中的Cr，提高超聲功率和超聲時間均可以提升有機結(jié)合態(tài)Cr和殘渣態(tài)Cr的浸出率，Cr浸出率可達95.62%，并且剩余污泥中Cr全部處于穩(wěn)定殘渣態(tài)。Li等［111］研究了超聲強化回收廢共生鉛鋅礦中銀的工藝，在其余工藝參數(shù)相同下，傳統(tǒng)浸出2 h時銀浸出率僅為72.51%，而超聲強化條件下浸出5 min時銀浸出率即可達到73.88%。Xiao等［112］采用超聲輔助堿浸工藝，回收鋁電解過程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)廢陰極碳（SCC），傳統(tǒng)堿浸工藝中會生成大量反應(yīng)物（OH-、F-、Al、Na+、CN-），根據(jù)氟元素（F）浸出速率和浸出渣中碳含量可判斷碳回收效率，結(jié)果（見圖10）表明：隨著超聲發(fā)射功率的提高，F(xiàn)的浸出率從79.35%提高到91.67%、殘余碳含量從81.26%提高到94.54%；當(dāng)超聲功率達到400 W時，F(xiàn)的浸出率和殘余碳含量變化趨于平緩，浸出的固渣含碳量為94.72%，同時浸出粒徑減少，此外溶液中CN-與超聲作用產(chǎn)生的過氧化氫反應(yīng)減少了污染。

圖10 超聲功率對堿浸的影響［112］Figure 10 Effect of ultrasonic power on alkaline leaching

4.2 超聲剝離涂層

超聲波剝離涂層主要是在液體中引入超聲場，使液體中的涂層在強聲場作用下變得疏松甚至剝落。所有物質(zhì)自身都有特定的振動頻率，涂層材料與基體材料的振動頻率存在差異，超聲波產(chǎn)生的振蕩信號使材料發(fā)生共振，涂層逐步脫離結(jié)合表面。由于超聲波在液體介質(zhì)、涂層材料、基體材料中的傳播速度不同，其速度差在界面處形成強大的剪切力而減小材料之間的結(jié)合強度。超聲振動沖擊會減弱涂層與基體間的結(jié)合強度，也會降低涂層內(nèi)聚力，從而使涂層更容易脫落。超聲波振動是間歇性振動，該方法對陶瓷等堅硬的脆性涂層材料進行破碎剝離時效果明顯。與激光剝離相比，超聲波剝離不會損傷基體，剝離后可得到純凈的基體與涂層材料，但剝離效率低于激光剝離。此外，剝離涂層時超聲波頻率不宜過高，因為頻率越高，空化氣泡越小，空化強度減弱，但頻率過低也同樣無法起到剝離效果，超聲波對涂層的剝離效率不一定與超聲頻率和作用時間成正比［113］。

Ruhge等［114］通過超聲振動原理發(fā)明了一種從基材結(jié)構(gòu)上去除高分子涂層的方法。將界面材料片定位在基板結(jié)構(gòu)上，界面材料的第一內(nèi)表面與涂層的預(yù)定區(qū)域嚙合，再用超聲波激勵界面材料的第二外表面，界面材料的內(nèi)表面接觸的涂層區(qū)域在超聲能量下完全去除。郭雙全等［115］使用20 kHz頻率的超聲波，與35—36 MPa的高壓水耦合形成高壓脈沖水射流，利用超聲波振動和高壓水沖擊的雙重作用去除發(fā)動機涂層，相較于傳統(tǒng)的超高壓水槍去涂層方法，這種方式使高壓水壓力降低到40 MPa以下，降低了設(shè)備成本，提高了剝離效率。陳浩等［116］通過數(shù)值模擬對廢MoSi2/Mo涂層熱震后施加不同頻率的聲波振動，結(jié)果如圖11所示。從圖11可見，應(yīng)力波在涂層中傳播而引起共振，在一定的加載時間下，15 kHz的超聲波引起了MoSi2涂層的共振，共振使MoSi2涂層裂紋處的能量提高，裂紋進一步拓展，減小兩相界面間的結(jié)合強度，MoSi2涂層更易從基底上剝離。

圖11 應(yīng)力波在MoSi2/Mo涂層中的傳播［116］Figure 11 Propagation of stress waves in the MoSi2/Mo coating

4.3 超聲回收的其他應(yīng)用

吳佳等［117］用超聲脈沖電解法從含銅電鍍廢液中回收銅粉，超聲的空化和聲流作用攪拌溶液，使電解體系中擴散層的厚度減小，同時破壞濃度梯度，加快電解物質(zhì)的轉(zhuǎn)移速度，離子可以更容易、更快速到達電極表面，在陰極表面放電提高銅的沉積速度。Qiu等［118］研究了超聲輔助對磷酸銨鎂（MAP）結(jié)晶的影響，結(jié)果表明：MAP可用于從廢水中回收磷，超聲空化引起的超臨界環(huán)境可以使得溶液中的離子在低過飽和度的條件下形成晶體，隨著超聲功率的增加亞穩(wěn)區(qū)寬度（MZW）變窄，誘導(dǎo)成核時間從340 s縮短到38 s，結(jié)晶速度加快；當(dāng)功率達到350 W時，超聲波的作用逐漸恒定，過強的空化效應(yīng)反而會破壞結(jié)晶過程，同時SEM圖像中顯示超聲功率的增加使得MAP晶體趨于菱形，表面光滑。

趙平等［119］使用超聲清洗法回收磁過濾物中的納米鐵粉，超聲空化形成的微射流沖擊材料表面，破壞附著物在工件表面的結(jié)合力達到清洗回收的目的。當(dāng)超聲頻率為40 kHz、功率密度為0.44 W·cm-2，以及其余工藝參數(shù)與機械攪拌法相同時，超聲清洗法的時間明顯縮短，且有效減少了納米鐵粉表面的油污吸附，鐵粉中鐵元素的質(zhì)量分數(shù)可以達到95.75 %，而機械攪拌清洗所得鐵粉鐵元素的質(zhì)量分數(shù)僅為81.43%。

張新月等［120］使用超聲氧化消解法從含錸離子液體中分離回收錸，利用超聲作用形成的自由基破壞高度穩(wěn)定的有機分子結(jié)構(gòu)，以H2O2及冰醋酸為氧化劑，對高錸酸鹽離子液體超聲氧化24 h，得到的錸產(chǎn)物為高錸酸銨，粗產(chǎn)品的純度為99%，錸的最佳回收率可以達到69.07%。超聲氧化消解法回收錸省去了傳統(tǒng)回收錸的復(fù)雜步驟，可以在一個容器中實現(xiàn)含錸離子液體的消解及高錸酸銨的回收，減少對環(huán)境的污染。

隨著資源、環(huán)境問題的日趨嚴(yán)重，超聲波由于其環(huán)保、節(jié)能的特性，其對各種金屬尤其是貴金屬材料的浸出、清洗等回收技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，但是在剝離涂層方面，超聲電解法、超聲氧化消解法只是在回收領(lǐng)域中僅有的很少一部分應(yīng)用，需要進一步發(fā)展和完善。超聲波在材料回收的方面，有著廣闊的發(fā)展前景。

5 結(jié)語

超聲波憑借其獨特的優(yōu)勢在材料制備、加工、檢測及回收中得到廣泛地應(yīng)用。超聲處理可以提高納米材料的分散性，輔助細化金屬熔體晶粒，輔助加工塑性材料、金屬材料；超聲波的高頻率振動實現(xiàn)了材料的超高周疲勞測試，大幅縮短了疲勞測試時間，超聲無損檢測更是當(dāng)前無損檢測領(lǐng)域中應(yīng)用最頻繁、發(fā)展速度最快的一種檢測技術(shù)；超聲輔助浸出依靠其低能耗、無污染、高效率的特點，逐漸替代傳統(tǒng)浸出方法，用于有色金屬、稀有金屬、涂層材料及有害材料的回收。

超聲技術(shù)僅僅是超聲波在材料工程中的部分應(yīng)用，超聲波依然有著很大的發(fā)展前景，如超聲波可用于剝離石墨烯而獲得橫向尺寸更大、更完整的石墨烯，超聲波測厚度的技術(shù)也日漸完善，超聲輔助激光熔覆可促進金屬均勻成核、細化晶粒及提高金屬涂層的強度和塑性。超聲波還可應(yīng)用在巖石鉆探方面，尤其是地外天體鉆探取樣，超聲換能器對于地外天體環(huán)境有更好的適應(yīng)能力可減小鉆探設(shè)備的體積和重量、降低能耗而使取樣過程更加穩(wěn)定。但是超聲波發(fā)展應(yīng)用中的一些關(guān)鍵問題仍有待解決和驗證。

（1）提高材料分散性時，應(yīng)減少或避免分散過程中空化效應(yīng)對材料的損傷。

（2）結(jié)合數(shù)值模擬軟件，提高金屬熔體細化的效率，減少超聲焊接過程中IMCs的出現(xiàn)，探究多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)材料的超聲波傳播方式，提高無損檢測準(zhǔn)確性。

（3）進一步確定不同材料在低頻和高頻循環(huán)載荷下的疲勞壽命，減少頻率效應(yīng)對疲勞試驗中疲勞壽命的影響。

（4）空氣耦合超聲檢測需要研發(fā)新的超聲換能器，超聲加工的機床技術(shù)仍不夠成熟，配套的超聲加工裝置仍待開發(fā)完善。

（5）充分發(fā)揮超聲波在材料回收過程中的優(yōu)點，逐漸取代傳統(tǒng)工業(yè)中能耗高、污染嚴(yán)重、效率低下的回收技術(shù)。