空蚀新机理

当空泡在液体中破裂时会产生巨大的冲击压力，通常认为这些压力是表面气蚀空蚀的根本原因。用液体表面力仪观测了液体中空泡的快速增长和消失，同时监测了它们在亚微观水平上对空泡附近表面的影响。空泡的形成与其附近表面上高局部应变能的同时释放密切相关，在许多实际情况下，在空泡的形成过程中更可能发生空蚀，而不是破裂过程中。

液体中壁面的空蚀是一个重要的工业和生物学问题，例如，螺旋桨叶片、高速润滑轴承和金属表面在超声振动下的损坏或侵蚀，膝关节的磨损和减压病(弯曲)。根据瑞利 1917年关于气泡破裂的经典论文(1)，空蚀被认为仅仅是由于真空空泡或气泡破裂时产生的极大的内爆压力造成的。

在1960 年，研究表明空泡在破裂过程中会变形，并且在破裂阶段撞击表面的高速液体射流也会造成损坏，在表面上产生微小的凹坑或陨石坑(2)。壁面空蚀与空泡破裂最直接相关的证据来自空化隧道中的水翼实验。该实验通常表明，沿着水翼表面的最大侵蚀通常与空泡破裂的位置密切相关(3)。

从实验室实验中获得了不太直接但更详细的信息，其中高压电火花或脉冲激光束用于在靠近表面的液体内的特定位置人为地制造出气泡核。然后用高速摄像机记录它们随后的时间演变(4，5)。

迄今为止，此类实验无法确定空蚀发生时气泡的形成—发育—破裂周期的确切阶段 (6)。空泡生长和破裂的整个过程通常发生得非常迅速(10-6, 到10-3 s)，并且所有有趣的特征都具有亚微观尺寸。由于这些原因，很难研究空泡的快速增长和破裂，尤其是这些过程与（弹性流体动力学）表面变形以及最终空蚀之间的关系。然而，通常认为空蚀只发生在空泡破裂（消亡）期间(4-7)。

这一课题在理论上受到了很多关注，但事实证明，很难得出一个统一理论，能给出令人满意地解释许多已经观察到的现象，即便是定性地(6, 8)。大多数理论处理从液体中已经存在的空泡或气泡开始，然后试图确定它们破裂的过程和后果。奇怪的是，很少有理论或实验关注自然条件下的空泡形成以及快速增长的空泡产生的第一冲击波的影响(6)。

用表面力仪(sfa)装置(9)研究了液体中两个相互靠近或远离的曲面的弹性流体动力学变形，我们注意到当两个曲面分离的速度超过某一临界速度时，就会产生蒸汽空泡。因为这些测量中使用的光学技术 (10)使人们能够实时跟踪表面变形(11，12)，并在纳米级观察空泡的形成 (13)，因此我们决定详细地研究空泡形成和破裂的现象。

sfa 具有分子光滑的表面和埃分辨率，主要用于测量液体表面之间的作用力。使用“等色阶条纹” (feco) 的光学干涉技术，不仅可以测量两个表面之间任意点的距离(10, 12)，而且还可以测量它们随时间变化的形状 (11) 和表面之间的液桥 (14)或空泡 (13)的演变。因此，人们可以确定空蚀发生的时间和地点，以及它在模型系统中的传播方式。我们已经发现，所有这些过程都可以通过使用非常高粘度的液体来减缓(这使得这些事件的详细视频记录(11)成为可能)。

传统的sfa使用两台摄像机。一台摄像机用作普通光学显微镜直接观察表面，另一台摄像机监测移动的feco条纹。前者提供了两个相邻表面和它们之间的空泡的俯视图，后者提供了液体中表面轮廓和折射率不连续的埃分辨率(10，13，14)。我们使用的是低分子量聚丁二烯(pbd)聚合物液体，分子量范围为4×103到10×103之间，粘度范围为10到180泊松(p) (15)。

这两个表面被布置成以交叉柱面的形式彼此相对。由于每个表面的半径r(~1 cm)远大于间距d，因此该几何形状类似于平面附近的球体或靠近的两个球体。在两个曲面之间注入一大滴液体，控制室内的空气，使溶解在液体中的气体为空气、干燥的氮气或水。分子光滑的表面要么是裸露的云母(一种对液体有强粘附性的高能极性表面)，要么是涂有表面活性剂的云母(一种对液体有弱粘附性的低能惰性碳氢化合物表面)。研究发现，对于所有研究的液体和表面，两个表面的接近和分离的以下定性特征是相同的。

在不同的初始驱动速度v (0.01~5 μm/s)下，使两个最初弯曲的弹性云母表面相互接近，观察到表面的弹性流体动力学扁平化始于 10 到 200 nm 的有限表面分离。扁平化是由于粘性力的增加而发生的，粘性力弹性地压缩支撑薄云母片的材料（胶层和玻璃盘）。扁平化开始时的表面分离取决于底层材料的弹性模量、接近速度和液体的粘度。

图1显示了 pbd 中粘度为 180 p的两个接近表面的 feco 条纹图案随时间变化。最初（图 1a）表面以稳定的速度 v 相互接近但不变形。当表面相距约 50 nm 时（图 1b），由于支撑材料的扁平化和压缩，它们开始相对于彼此减速。

从图 1b 到图 1c，表面向内凸起；也就是说，它们变成“钟形”—— 这是两个接近表面的弹性流体动力学变形的特征（16）。在图 1c 中，驱动速度降低到零，因此从图 1c 到图 1d，表面自然松弛到平衡。表面在 d = 13 nm 的间隔处以扁平结构平衡；该值由穿过液膜的两个表面之间的短程排斥力确定(17)。

图1

图1 feco条纹图随时间t的变化t[(a) 0 s; (b), 1 s; (c), 5 s; (d),120s]，初始(未变形)半径为r≈1 cm的两个曲面在液态聚丁二烯 (pbd)中以0.1 um/s的速度相互靠近。光谱图（左）中的表面轮廓λ（x）给出了两个表面（右）的分离轮廓d（r）(10-12)。

将两个曲面合并后分离的逆过程如图 2 和图 3 所示。表面不会简单地通过改变接近时的路径而恢复到原来的曲线形状；这种现象似乎没有得到太多研究，也没有充分认识到它的重要性（16）。此外，当两个表面在液体中分离时，可以根据分离速度采取两种不同的路径：第一种不涉及空泡的形成，第二种涉及。

图2

图2 在高粘度液体中，从（a）t=0，位移d=13 nm开始，两个表面从扁平接触分离期间随着时间t改变feco条纹图案（如图1d所示）。(b)t=6s, d = 14 nm. (c)t = 10.48 s, d = 16 nm。在低分离速度下，表面分离，没有气蚀迹象：（d）t = 21 s，d = 36 nm；(e) t = 50 s, d = 50 nm; 和 (f) t = 100 s，d = 110 nm。

在分离速度略大于 vc 的情况下，在中心形成一个空泡，这里在 (d’) t = 10.50 s，d = 44 nm 处的条纹图案中可以看到不连续性。空泡持续数秒：(e’) t = 17 s，d = 250 nm；和 (f’) t = 22 s，d = 1000 nm。（a）至（f）的相应表面形状如图3（顶部）所示，而（a）至（f’）的相应表面形状如图3（中间）所示。

图3

图3 从feco条纹图样(图2)和直接光学显微镜观察可以确定，两个弯曲云母表面以逐渐增加的分离速度分离的示意图(19，20)。最有可能发生反冲和空蚀的地方用星号 (*) 表示。(上) v>vc：突然分离，边缘形成空泡和空蚀(弹坑状)。

在低速（v<0.05 μm/s）下，分离是“连续的”或“平滑的”，如图 2、a 到 f 和图 3 顶部所示。在分离过程中，最初扁平的云母表面经历变得尖锐的阶段，即向外凸出。当它们分开时，它们的形状变得不那么尖，最终恢复到原来的未变形形状。

如果增加分离速度，表面会变得更尖，即在它们迅速分开之前，弹性更大。这种行为表明，表面和液体上的最大应力都发生在这个高度尖锐的中心区域。然后，在某个临界速度vc（这里约为1 μm/s）以上，一个全新的分离机制接管，如图 2（a 到 f’），和图 3中间所示。液体不会顺利分离，而是像固体一样“断裂”或“裂开”（18）。

这个过程释放了高拉伸应力，使尖端表面突然恢复到原来的圆形，同时使两个反冲表面之间形成一个空泡。这个过程如图2d’所示，其中形成了一个44 nm厚的空泡。反冲是如此之快（在我们的 0.02 秒分辨率视频录制中是瞬间的），以至于产生的冲击压力一定非常大。从与随后的空穴破裂相关的慢得多的（以秒为时间尺度）和更温和的表面变形来判断，我们得出结论，初始“反冲压力”一定远大于气泡破裂或射流冲击压力（至少在这个系统中是这样）。

从本质上讲，整个“反冲过程”可以被认为类似于将一个物体从由弹簧连接的表面上拉开，然后—当弹簧拉紧时—突然松开。当物体撞击然后从表面反弹时，物体和表面都会感受到巨大的压力（首先是拉伸，然后是压缩，然后在反弹时再次拉伸）。每当在该系统中发生不可逆的表面空蚀时，它只发生在表面反冲（弹回）期间。

当分离两个表面的速度增加到远高于vc时，甚至在弹性变形表面达到尖端阶段之前，就会发生空蚀。在这种情况下，空蚀发生在两个表面急剧分叉的围绕中心的一个圆上(图2b和图3，底部)。在气蚀的瞬间，表面几何形状就像两个圆形陨石坑，一个翻转另一个，陨石坑的边缘会弹回来，留下一个甜甜圈形的空泡。然后这个空泡合并成一个单一的盘状空泡或气泡，通过向内塌陷、破裂。这些破裂的空泡 (19) 的延时光学显微镜照片显示，在破裂过程中，空腔穿过类似于泰勒和道森照片的花环形状(20)。

刚刚描述的过程表明，在足够高的分离速度下，两个接触表面没有足够的时间从它们最初的弯曲或扁平状态弹性释放——即使它们没有接触而是被非常薄的液体膜隔开。因此，在距中心有限的径向距离处达到最大负压，并且在此处，表面突然反弹（反冲），形成空泡（但不一定破裂），并发生损坏。

我们发现气蚀气泡既可以完全发生在液体内，即远离表面，也可以发生在固液界面。未经处理的（极性）云母表面对 pbd 液体的粘附力强于液体分子本身之间的粘附力（“润湿”条件）；因此，空泡完全在液体内形成。相反，对于涂有表面活性剂单层的表面, 非极性固-液粘附力较弱 (21), 空泡在界面处形成。·我们得出结论, 空蚀通常只发生在空泡形成过程中, 即表面（反弹）反冲时，但在空泡破裂期间和破裂处都不会发生。

这个结论是通过两种方式得出的：（i）在高分离速度下，空泡出现在接触区的中心，在气泡消亡（破裂）之前，表面可以重新结合在一起。feco条纹的变形形状（图4a）可以看出，两个最初未受损的表面在中心已经受损。气泡通常会在消亡之前移动到另一个地方，而不会在那里造成任何明显的损害。(ii) 在更高的分离速度下，在接触区域周围形成环形空泡，并且在该区域发生损坏（图 4b）。在运动表面附近或两个运动表面之间（例如，滚子轴承之间和两个表面的润滑滑动期间）产生空泡的系统中，可能会发生类似的损坏机制。表面反弹过程中可能发生空蚀的想法也很容易解释材料如何从固体表面移除（“侵蚀”损伤）。