سوراخ کردن و برش دقیق همه مواد اعم از سرامیک‌ها تا محصولات غذایی

درمان پزشکی

حل کردن لخته‌های خون، شیمی‌درمانی تقویت‌شده

پردازش مواد

پخش رنگ‌دانه‌ها و مواد جامد در محیط‌های مایع، بلوری کردن، فیلتر کردن، خشک کردن، گاز زدایی، کف‌زدایی، همگن کردن، امولسیون کردن، حل کردن، شکستن اگلومره‌ها و استخراج آن‌ها

سونوشیمی

الکتروشیمی، حفاظت محیطی، کاتالیزه کردن، سنتز بی‌خطر^[۴]

۱-۴-۳-جوش فراصوتی
بخش اصلی تجهیزات فراصوتی متداول مورد استفاده در صنعت شامل دستگاه‌های جوش یا قالب‌زن‌های پرچ‌کاری^[۵] پلاستیکی است. این تجهیزات شامل ژنراتوری هستند که یک پتانسیل الکتریکی متداول با فرکانس حدود kHz20 تولید می‌کند. این ولتاژ مبدلی (عموما پیزوالکتریک یا مگنتواستریکتیو^[۶]) را تغذیه می کند که وظیفه تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی را به عهده دارد.
یک ابزار شکل‌یافته شیپورمانند حرکت ارتعاشی را به قالبی انتقال می‌دهد (و تقویت می‌کند) که دو قطعه‌ای که بایستی جوش بخورند را به یکدیگر می‌فشارد. عموماً دامنه ارتعاش بین ۱۰۰-۵۰ میکرون است جوش فراصوتی معمولا برای ترموپلاست‌های آمورف صلب تر به کار می‌رود.

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

ترموپلاست‌ها دارای دو ویژگی هستند که آن‌ها را بویژه برای جوش فراصوتی مناسب نموده است :
الف- هدایت گرمایی پایین ب- دما‌های ذوب یا نرم شدن بین °C 200-100
ارتعاش‌های فراصوتی بدون هیچگونه تولید گرمایی از توده پلاستیکی می‌گذرند اما به محض عبور از نقطه اتصال به سرعت گرم می‌شوند به محضی که توان فراصوتی قطع شود توده‌ی ماده بعنوان فروبرنده گرما عمل می کند و اتصال جوش‌خورده را سرد می کند. این موضوع پیشرفت بزرگی در زمینه هدایت گرمایی در عمل جوش دادن محسوب می‌شود زیرا در این مورد پیش از سرد شدن گرادیان گرمایی معکوس می‌شود این امر منجر به ایجاد چرخه‌های طولانی سرد و گرم شدن می‌شود که ممکن است باعث ایجاد اعوجاج در مواد شود. یکی دیگر از مزایای استفاده از فراصوت استحکام بالای اتصال جوش‌خورده است که به ۹۸-۹۰% استحکام ماده می‌رسد. در واقع نمونه‌های آزمایش معمولا به جای محل جوش‌خورده از درون ماده دچار شکست می‌شود.
۱-۴-۴-تمیزکاری فراصوتی
یکی دیگر از کاربرد‌های اصلی فراصوت توانی، تمیزکاری با بهره گرفتن از فراصوت است. امروزه آنقدر این تکنیک خوب جا افتاده است که تعداد آزمایشگاه‌های فاقد حمام تمیزکاری فراصوتی به حداقل رسیده است. دانستن اهمیت تاریخی توسعه تکنولوژی حمام تمیزکاری فراصوتی در رشد سونوشیمی از اهمیت بالایی برخوردار است زیرا استفاده از تمیزکاری فراصوتی اولین روشی است که شیمیدانان با آن تحقیقات خود را شروع می‌کنند.
اگرچه حمام تمیزکاری فراصوتی برای شیمیدانان جا افتاده است اما کاربرد صنعتی این چنین تمیزکننده‌هایی کمتر شناخته شده است. پیشرفت‌هایی که تاکنون در این زمینه انجام شده است امکان بررسی واکنش‌های شیمیایی در مقیاس بزرگ را فراهم می‌کنند زیرا با بزرگتر شدن فرایند شیمیایی منقطع^[۷] نیاز به حمام بزرگتری خواهد بود. تمیزکاری فراصوتی را می‌توان هم در کاربرد‌های ظریف (ریزاجزا‌های کامپیوتری، جواهرآلات و وسایل پزشکی) و هم در موارد بسیار بزرگ (سرسیلندرهای گازی و سیلندر موتورها) بکار برد.
۱-۴-۵-استفاده های فراصوت در تلفیق با روش های دیگر
در دهه های اخیر،تکنولوژی هایی گسترش یافته اند که هر کدام امید دستیابی به روش های سنتز ابتکاری را برای شیمیدانان به ارمغان آورده اند.بعضی از آنها محدودیت های خاص خود را دارند.برای مثال فوتوشیمی نیاز به ماده ی شیمیایی حاوی کروموفور دارد، بنابراین در محلول های با جذب بالا عمل نخواهد کرد، بنابراین به گروه عاملی خاصی برای فعال بودن نیاز ندارد. سونوشیمی را می توان به تنهایی به عنوان یک دسته از تکنولوژی های جدید قرار داد، اما یک مزیت مهم دیگر برای شیمیدان ها دارد و آن توانایی بالا بردن بازده روش های پژوهشی دیگر است. این مزیت ها شامل:تسریع انجام واکنش، امکان استفاده از شرایط تحت فشار کمتر، اقتصادی کردن انجام فرایند با بهره گرفتن از واکنش دهنده های خام تر، احیای فناوری های قدیمی تر با بهره گرفتن از تقویت فعالیت، کاهش تعداد مراحل مورد نیاز، شروع واکنش های دیر انجام، کاهش مدت زمان اعمال انرژی، بهبود بازده کاتالیزگر و تقویت واکنش های رادیکالی است.
۱-۵-کاتالیز نمودن
کاتالیزور ماده ای است که راه تازه ای برای انجام یک واکنش باز می کند و واکنش را از مسیر و مکانیسمی هدایت می کند که سبب کاهش انرژی فعالسازی می شود یعنی در یک واکنش کاتالیز شده انرژی فعالسازی کمتر از انرژی فعالسازی همان واکنش بدون دخالت کاتالیزوراست و از آنجائی که انرژی فعالسازی با انرژی یک واکنش رابطه معکوس دارد بکارگیری کاتالیزور سبب افزایش سرعت واکنش می شود .۲ نکته اساسی در مورد کاتالیزورها وجود دارد: ۱) کاتالیزور در واقع سطح انرژی پیچیده فعال را کاهش می دهد بنابراین هم موجب کاهش انرژی فعالسازی واکنش رفت می شود و هم انرزی فعالسازی واکنش برگشت را کاهش می دهد از این رو سرعت واکنش های رفت و برگشت را یه یک نسبت افزایش می دهد به همین دلیل در واکنش های رفت و برگشتی از یک نوع کاتالیزور استفاده می شود ، ۲) کاتالیزور بر آنتالپی واکنش هیچ تاثیری ندارد . براساس قانون توزیع ماکسول و بولتزمن در شرایط کاتالیز شده حداقل انرژی لازم برای شروع واکنش کمتر از انرژی لازم برای یک واکنش بدون حضور کاتالیزور است به طوری که در حضور کاتالیزور کسر بیشتری از مولکول ها انرژی کافی برای انجام واکنش را دارا هستند کاتالیزورها را به دو نوع همگن و ناهمگن تقسیم می کنند . کاتالیزگر نا همگن ، با مواد واکنش دهنده در دو فاز جدا گانه قرار دارد به طوریکه این نوع از کاتالیزورها سطحی را برای انجام واکنش فراهم می کنند واکنش در سرحد یک فاز روی می دهد کاتالیزورهای ناهمگن به طور معمول از طریق جذب سطحی مواد واکنش دهنده به واکنش سرعت می بخشند در جذب سطحی فیزیکی معمولی ، مولکولها به وسیله نیروهای واندر والسی به سطح ماده جاذب، گیر می کنند بنابراین مولکولهایی از گاز که جذب سطحی می شوند تاهمان حد تحت تاثیر قرار می گیرند که گویی مایع می شوند در جذب سطحی شیمیایی مولکولهای جذب شده ، با پیوند هایی که قابل مقایسه با پیوند های شیمیایی است ، به سطح ماده کاتالیزور می چسبند . در فرایند تشکیل پیوند با ماده جاذب ، مولکولهایی که به طور شیمیایی جذب می شوند دچار تغییر آرایش الکترونی شده و پیوندهای بعضی از مولکولها کشیده وضعیف و حتی پیوند بعضی از آنها شکسته می شود . بنابراین لایه ای از مولکولها که به طور شیمیایی جذب شده اند به صورت یک پیچیده فعال عمل می کنند . کاتالیزور همگن ، نوعی از کاتالیزورها هستند که در واکنش درگیر می شوند یعنی در ساز و کار چند مرحله ای یک واکنش ابتدا وارد واکنش می شوند ولی در پایان دوباره تولید می گردند به طوریکه تغییر غلظت انان صفر می شود . دخالت کاتالیزور در سازو کار ( مکانیسم ) واکنش موجب هدایت واکنش در مسیری می شود که انرژی فعالسازی کمتری دارد]۳۱[ .
۱-۶- تولید فراصوت
مبدل وسیله‌ای است که شکلی از انرژی را به شکل دیگر تبدیل می‌کند. یک مثال ساده از آن بلندگو است که انرژی الکتریکی را به انرژی صوتی تبدیل می کند. مبدل‌های فراصوتی طوری طراحی می‌شود که انرژی الکتریکی یا مکانیکی را به صوت با فرکانس بالا تبدیل کنند که سه نوع عمده دارند.
۱- فعال با گاز^[۸] ۲- فعال با مایع^[۹] ۳- فعال با الکتروشیمیایی
۱-۷- آستانه‌ی حفره‌سازی
زمانی که فراصوت با توان بسیار کم از یک مایع عبور داده می‌شود و توان به تدریج افزایش می‌یابد، به نقطه‌ای می‌رسیم که شدت اعمال صوت به اندازه‌ی کافی زیاد بوده و حفره‌سازی در سیال انجام می‌شود. فقط در توان‌های بالاتر از آستانه‌ی حفره‌سازی است که سونوشیمی تحقق پیدا می‌کند، زیرا فقط پس از آن است که انرژی‌های مربوط به تخریب حفره‌سازی در سیال آزاد می‌شوند. در پزشکی تخصصی، در جایی که تکنیک‌های اسکن فراصوتی استفاده گسترده‌ای دارند ثابت نگه‌داشتن شدت‌های اسکن در مقدار کمتر از آستانه‌ی حفره‌سازی اهمیت حیاتی دارد. به مجردی که توان تابشی مورد استفاده در اسکن کردن، بیش از حد بحرانی شود، حفره‌سازی انجام شده و ممکن است واکنش‌های شیمیایی خطرناک ناخواسته‌ای در بدن رخ دهد. بنابر دلایل شیمیایی و پزشکی، تلاش زیادی برای تعیین نقطه‌ی دقیق حفره‌سازی در محیط های مایع، بویژه حفره‌سازی وجود دارد:

• آشکارسازی حباب‌های اولیه در محیط

• تشعشع نور (سونولومینسانس)

• تشخیص یک واکنش شیمیایی که فقط هنگام حفره‌سازی رخ می‌دهد.

۱-۷-۱-تعیین آستانه‌ی حفره‌سازی براساس آشکارسازی حباب‌ها
حباب‌ها جاذب‌های بسیار موثری برای فراصوت هستند و این موضوع اساس یک اندازه‌گیری حساس آستانه‌ی حفره‌سازی است. یک منبع فراصوتی کم شدت، طوری در مایع در مجاورت دریافت‌کننده قرار داده می‌شود که جذب (تضعیف) صوت در آن مایع قابل ارزیابی باشد. حال می‌توان یک فراصوت توانی از منبع دیگری به مایع اعمال کرده و تضعیف را با افزایش توان صوت به صورت پیوسته اندازه‌گیری نمود. شروع حفره‌سازی زمانی ثبت می‌شود که تضعیف زیاد صوت به واسطه‌ی حضور حباب‌های حفره‌سازی در سیال بطور ناگهانی انجام شود.
۱-۷-۲-تعیین آستانه‌ی حفره‌سازی با آشکارسازی سونولومینسانس
سونولومینسانس، گسیل یک نور ضعیف از سیال حفره‌سازی شده است. واکنش فراصوت در بالاتر از آستانه‌ی حفره‌سازی می‌تواند موجب این گسیل نور شود. سونولومینسانس خارج از محدوده‌ی این تحقیق است، اما اخیرا یک مرور کامل در مورد آن به چاپ رسیده است. آشکارسازی آغاز سونولومینسانس برای تعیین آستانه‌ی حفره‌سازی توسط کروم^[۱۰] و همکارانش با موفقیت انجام شده است. آن‌ها تجهیزات آزمایشگاهی موردنیاز را با جزئیات شرح دادند. این سیستم شامل یک «سیستم مدیریت سیال» برای فراهم آوردن شرایط ایده‌آل در مایع تحت اعمال صوت و یک دیاگرام شماتیک نشان‌دهنده‌ی محیط مورد استفاده برای تولید حفره‌سازی است.
۱-۷-۳-تعیین آستانه‌ی حفره‌سازی با شروع واکنش‌های شیمیایی
برای سونوشیمیدان‌ها، شاید سیستم‌های فوق خیلی جهت‌گیری فیزیکی داشته باشند، درحالیکه شروع واکنش‌های شیمیایی بوسیله‌ی حفره‌سازی علاقه‌ی اصلی آن‌ها می‌باشد. نقطه‌ای که در آن حفره‌سازی موجب واکنش شیمیایی می‌شود را می‌توان بعنوان معیار درستی از آستانه‌ی حفره‌سازی در لوله‌ی واکنش واقعی (یعنی جایی که بعدا برای آزمایش‌های سونوشیمایی استفاده می‌شود) مورد استفاده قرار داد. بایستی این توضیح اضافه‌ شود که این روش‌ها باید قادر به آشکارسازی مقادیر پایین ذرات رادیکالی بسیار حساس باشند. روش‌های معمول دیگر، استفاده از تابش سنج در اندازه گیری مقدار حفره سازی ایجاد شده به وسیله ی تابش طولانی فراصوتی می باشد.

۱-۸- حفره‌سازی – اساس تأثیرات سونوشیمیایی
چگونه انرژی ماورای صوت سبب حفره‌سازی می‌شود؟ مشابه هر موج صوتی، ماورای صوت از طریق موج‌هایی منتقل می‌شود که متناوبا فاصله بین مولکول‌های محیطی را که از آن عبور می‌کنند متراکم و منبسط می‌کنند (شکل ۱-۲). بنابراین فاصله میانگین بین مولکول‌های مایع، هنگامی که آن‌ها حول مکان متوسط خود نوسان می‌کنند، تغییر خواهد کرد. اگر یک فشار منفی بزرگ (به اندازه کافی زیر فشار محیط) در مایع به کار گرفته شود به طوری که فاصله بین مولکول‌ها از فاصله بحرانی مورد نیاز که مولکول‌های مایع باید در کنار هم باشد بیشتر شود، حباب‌های ناشی از حفره‌سازی تشکیل خواهند شد. محاسبات تئوری نشان می‌دهد که برای آب خالص فشار منفی مورد نیاز در حدود ۱۰۰۰۰ اتمسفر است. اگر محاسبات را با اجازه پرشدن حباب‌ها با بخار (که از تبخیر مایع ایجاد می‌شوند) اصلاح کنیم هنوز به یک فشار منفی در حدود ۱۰۰۰اتمسفر نیاز خواهیم داشت. در عمل، حفره‌سازی می‌تواند در فشار‌های صوتی به طور قابل ملاحظه پایین‌تر ایجاد شود که به خاطر حضور مناطق ضعیف دارای مقاومت کششی کمتر در مایع می‌باشد.
مناطق ضعیف شامل حضور هسته‌های گازی در فرم گاز حل شده، حباب‌های گاز معلق ریز و خیلی کوچک، یا ذرات معلق خیلی ریز هستند. برای مطالعه آستانه حفره‌سازی^[۱۱] صحیح یک مایع لازم است که از مایعی که بدون گاز شده است، شود.
تولید یک میدان صوتی با قدرت بالای کافی، سبب ایجاد حباب‌ها در طی چرخه غیرتراکمی موج صوتی می‌شود. این حباب‌ها با وارد شدن مقداری بخار یا گاز از محیط به درون آن‌ها طی تعداد کمی از چرخه‌های صوتی رشد خواهند کرد (پخش یک سویی)^[۱۲]، تا به یک اندازه متعادلی برسند به نحوی که فرکانسی که حباب در آن فرکانس در حال رزونانس می‌باشد با فرکانس صوت به کار رفته یکسان شود. میدان صوتی که توسط یک حباب مستقل تجربه می‌شود پایدار نیست و این به دلیل مداخله بقیه حباب‌هایی است که در کنار آن تشکیل شده، رزونانس می‌کنند. در نتیجه برخی از حباب‌ها ناگهان تا یک اندازه ناپایدار منبسط می‌شوند و با انرژی زیادی از بین می‌روند.