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超声波雾化是液体雾化中一种十分常见的雾化方式，其被广泛应用于加湿、雾化消毒、香薰、美容、喷涂、喷雾干燥等等各种喷雾领域中。为了方便大家更快的了解超声波雾化技术，在本文中我们将从超声波雾化的基本原理、种类以及特点等方面进行详细介绍。
利用超声波将液体雾化的技术或方式均可以被称为“超声波雾化”，具体的实现方式和技术有很多很多种，而我们这里主要讨论的以及我们通常说的“超声波雾化”是指基于压电陶瓷换能器的超声波雾化。而基于压电陶瓷换能器的超声波雾化也有很多种，目前行业上主流使用的超声波雾化方式可以被大致分为三类：单晶片压电陶瓷式、微孔网片式、朗之万换能器式。下面我们就具体介绍一下这三类超声波雾化方式的原理及特点。
图1：单晶片压电陶瓷式超声波雾化换能器
单晶片压电陶瓷式
首先，单晶片的压电陶瓷换能器组成的超声波雾化器可以说是最为常见也是最早的超声波雾化方式，又被俗称为超声波雾化片（如图1所示）。该种技术是通过压电陶瓷换能器（雾化片）在液体中振动发射超声波，当超声波传递到液体与空气的交界面时，由于不同介质声阻抗的巨大差异，超声波能量会在交界面处快速聚集并将液体最终撕裂成微小的液滴而形成雾化。这种单晶片压电陶瓷式超声雾化技术最早的行业应用可追溯到上世纪60到70年代，是用于医用雾化吸入也就是雾化药物吸入行业的。随后日本等国将此技术又开始用于对环境的加湿，从而开始了超声波雾化的广泛使用。东方金荣Siansonic于上世纪90年代发明了基于镍电极压电陶瓷的超声波雾化换能器，防腐性和耐久性远超传统的银电极，于是让单晶片压电陶瓷的超声雾化有了更广阔的用武之地，之后基于此技术的各种超声波雾化器、加湿器也如雨后春笋般被不断开发创造出来。该种超声雾化方式的优点是雾化器结构简单成本低，仅有压电陶瓷圆片作为雾化换能器，且超声频率较高，一般为1-3MHz，雾化颗粒小，液滴粒径一般在3-5微米之间。而通过提高压电陶瓷的谐振频率以及特殊的结构设计，可以进一步缩小雾化颗粒的粒径，目前东方金荣已实现平均雾化颗粒仅为0.5微米的亚微米级的气溶胶雾化，图2展示了基于单晶片压电陶瓷式超声波雾化的东方金荣NX系列亚微米气溶胶发生器的雾化颗粒分布。
图2：东方金荣亚微米级超声波雾化粒径分布图
凭借极小的雾化颗粒这一优势，单晶片压电陶瓷式超声波雾化被用于喷雾热解法超细粉体制备的先进材料制造领域。喷雾热解是将一般为盐溶液的前驱体液体雾化成微小液滴，然后送入高温炉中进行热分解反应，反应后金属盐溶液液滴会干燥裂解成金属氧化物颗粒，从而实现超细粉体颗粒的制备。图3为我司用于中试级亚微米级金属氧化物超细粉体制备的Siansonic超声波喷雾热解系统。
图3：基于超声雾化技术的亚微米级气溶胶发生器在喷雾热解系统中的应用
但是，单晶片压电陶瓷式超声雾化技术的缺点是必须额外的结构来组成完整的雾化装置，该结构通常较为复杂，因为单晶片压电陶瓷换能器（超声波雾化片）必须浸入在液体中，并且要有一定的液位高度和成雾高度（超声波能量会将液体激起一个水柱喷泉，水柱的高度即为成雾高度）才可以实现雾化，故此雾化方向通常受到限制，不能自上而下的喷雾，同时雾化液体需要累积到一定量才可以雾化。另一个主要缺点是超声波能量的转化效率低，从而造成雾化效率和雾化能力不高，通常300ml/h的雾化量需要消耗20W以上的电功率，超声波的振荡能力有限，能够雾化的液体最大粘度仅为1.2cps。因此只能雾化与水相近的液体，应用范围被大大限制，所以最主要的应用还是局限于加湿、雾化吸入、雾化造景等领域。
图4：超声雾化用微孔网片的显微镜照片
微孔网片式
第二种超声波雾化方式是通过环形压电陶瓷与一个微孔网片贴合而形成的超声雾化装置，该项技术在本世纪初期从压电喷墨打印上改良而引入到超声雾化领域。其是利用压电陶瓷的径向伸缩振动带动微孔网片（一般为不锈钢、钛合金等金属薄片）的轴向振动，然后微孔网片将其一侧的液体吸收并穿过微孔喷射出去，由于微孔很多孔径很小（一般在5-10微米），被微孔网筛出去的微小液滴也就形成了液雾。图4为一种微孔网片式雾化换能器的微孔片显微镜照片。此种雾化方式实际上是一种喷阀而并不是传统意义上的振动撕裂产生的雾化，所以该种雾化方式与其他超声雾化方式不同，其雾化粒径与超声频率无关，仅与微孔的孔径有关，雾化粒径基本与孔径接近。该种雾化方式主要是为了解决上述第一种单晶片压电陶瓷雾化的能量转化效率低这一缺点而发明的，相比于单晶片压电陶瓷雾化，微孔网片式雾化的最大优点是雾化效率高，仅需要3-5V 的电压激励以及1-2W的电功率即可产生良好的雾化效果。并且，利用该技术制作的雾化装置喷雾方向上可以更加自由，不需要累积一定量的液体才可以雾化。但是，该雾化方式也有诸多缺点，比如虽然雾化效率高，但是由于实际是靠金属薄片振动，其最大振动力要远小于压电陶瓷，故此它能够提供的雾化量和雾化能力很低，最大雾化量通常不足10ml/h，能够雾化的液体最大粘度也仅为1-2cps。因此也只能雾化与水相近的少量液体。另外，由于微孔太小，雾化液体中的溶质或杂质很容易造成微孔堵塞而使雾化装置无法雾化。当自上而下喷雾时，如果雾化液体过多会积压在微孔网片上，也会造成无法振动雾化的情况。所以该种超声波雾化方式的应用比较有限，仅适合于对质量要求不太高的便携式微量雾化的一些消费类领域，比如小型的香薰器、家用手持雾化吸入器、美容补水仪等等。
图5：朗之万换能器式超声波雾化喷头
朗之万换能器式
第三种超声波雾化方式是一种利用朗之万式超声波换能器的雾化方式，该项技术最早是在上世纪90年代前后在美国提出，在传统的朗之万式超声换能器上开通液体通道，液体被输送到在换能器变幅杆最大振幅点的前端时被超声振动撕裂而雾化。该项技术的最大优点是解决了上述两种超声波雾化方式雾化能力低的问题，其通过朗之万换能器及变幅杆使超声波换能器的振荡幅度大大提高，从而提高了可雾化液体的最大粘度，可以达到30-50cps，也就是上述两种超声波雾化能力的30-50倍，1W的电功率雾化量可以达到惊人的1200ml/h。同时，此技术的雾化装置可以实现任意方向的喷雾，不需要累积一定液量就可以实现良好雾化，达到液体“送达即雾化“的效果。故此，可以通过使用额外的计量泵供给液体来实现精确的即时雾化量，雾化量可以达到纳升每秒级的超高控制精度。再配合各种气体流道的设计，可以将雾化的液滴进行均匀定向的分布，基于该种技术的超声波雾化装置又被成为超声波喷头或超声波喷嘴。美国的Sono-Tek、USI和我们东方金荣Siansonic公司先后掌握了此项超声雾化技术，凭借该超声雾化技术的独特优势，可以将各种溶液、溶胶、悬浮液等超声雾化后沉积在基材表面形成均匀的薄膜涂层，从而将超声雾化技术从加湿、雾化吸入等传统领域带入到全新而广阔的薄膜涂层等先进材料领域。图5展示了东方金荣朗之万式超声波喷头雾化时的状态。基于该种超声雾化技术的薄膜涂层制备工艺被成为“超声波喷涂”，已被广泛应用于生物医疗、新能源、微电子半导体、玻璃制造、纳米材料等各种制造领域。同时，该技术也同样可以应用于喷雾热解、喷雾干燥等超细粉体制备的先进材料制造领域。当然，朗之万式换能器的超声波雾化技术也同样存在自己的技术缺点，其最大缺点是雾化粒径比较大，这是由于朗之万变幅杆式超声波换能器的频率不能很高，通常只能在20-200kHz之间，所以能够达到的最小雾化颗粒也要在10微米以上，对于要求雾化粒径很小的领域，该种雾化方式则不法适应。
表1 超声波雾化方式对比表
综上所述，目前主流的三种超声波雾化技术有其各自的优势及缺陷，其技术特点如表1所示。我们东方金荣超声电器有限公司（Siansonic）在超声波雾化领域已积累了近40年的技术经验，不仅拥有上述三种超声波雾化方式的全部技术及相应产品，同时还在不断尝试和探索全新的超声波雾化方式，例如基于声表面波的超声波雾化、高强度聚焦超声雾化、非接触声场雾化等前沿的超声波雾化技术，旨在为各种行业领域提供更先进更匹配的雾化解决方案，用超声波技术助力未来。
