超声空化作用下金属的腐蚀行为

      超声空化是一种复杂的流体力学现象，它是液体物质中的微小气泡核在超声场作用下发生空化气泡的收缩乃至崩溃等多次周期性变化的动力学过程。在此过程中发生泡核的振荡，生长，能量聚集，当聚集的能量达到某个阀值，即空化阈值时，发生超声空化效应。空化阈值是指液体产生空穴的最小声强或声压，这是产生空化核的前提条件。在对空化的研究过程中，一般将超声空化分为稳态空化和瞬态空化。稳态空化是指声波通过液体时在液体中产生随超声频率变化的微气泡，这种气泡随声压以其半径作为平衡半径发生周期性振荡的过程。瞬态空化是指空化核在正负压相半周期内积聚膨胀和收缩至內爆的动力学过程。

      超声空化作用伴随的主要有机械效应（声冲流，冲击波，微射流）和活化效应（水溶液中产生氢自由基、羟基自由基），另外伴随有热效应（局部高温高压，整体升温）等。

一、机械效应：超声最基本的原发性效应是超声的机械效应，其和超声的强度大小无关。冲击波原理和微射流原理是目前被讨论的机械作用较多的原理。

      冲击波原理指出当液体内的蒸汽压大于静压力时,在液体中会产生许许多多的空化气泡气泡在高压区时发生内爆,同时伴随有能量的转移，如果空泡是球型的,则在内爆时,空泡内的势能将传送给液体,转化为液体的动力，这样在流体中就形成了非常巨大的冲击波，当冲击波经过零部件的表面时就会产生脉冲应力,强大的反复脉冲应力使得材料产生不可恢复的变形,导致其永久性的破坏。微射流原理是指垂直于固液界面的应力，它的形成是在受到非均匀压力场的影响时,产生不对称形状的气泡,在空化的作用下又产生不同程度的崩溃速度。在固体与液体界面附近的空化气泡比其他地方的气泡溃灭得迟,这样就形成了垂直固液界面的微射流。微射流的速度可达到100～500m/s。在非常短的时间内,微射流就像锤子一样向材料表面某一位置不断冲击,产生强大的应力作用,从而破坏了材料表面的结构性能。机械效应主要影响金属的电化学反应，利用这种效应产生的流体剪切力清洗电极表面，保持了电极的活性，同时还可以使电极表面的气泡得到有效防止和除去,增大电极表面积；电极附近溶液在超声的空化作用下发生持续运动,从而减少浓度引起的极化,电流密度和电流效率被提高。

二、热效应：热效应是指空化泡在溃灭时产生的瞬态高温高压（温度高达5000K, 温度变化率超过109k/ s, 压力达50个MPa），如果不能及时冷却或者转移这些高温高压而是使其直接与材料接触，导致材料表面被破坏，改变了材料的力学性能。王者昌等学者在研究中发现，在进行不锈钢的空化腐蚀试验时，检测到高温相ηNi3Ti的沉积，因此得出在超声发生的过程中温度急剧升高的结论。 

三、活化效应：伴随着超声空化产生的局部高温高压条件下，水分子发生裂解产生氢和羟基自由基。由于OH.存在一对未配对电子， 具有很高的活性，其氧化性仅次于F2，在OH.被还原过程中能够增加阴极反应的电流密度。H2O2和H2进入溶液扩散层能够影响扩散电流密度，同时还会影响阴阳极反应的电流密度。上述各种效应并不是独立存在的，强烈的冲击波和微射流使空化泡瞬间发生內爆从而导致液体局部温度急剧升高，而温度的急剧升高促使液体内部的水分子发生裂解，从而引发各种化学反应。