當空泡在液體中破裂時會產(chǎn)生巨大的沖擊壓力，通常認為這些壓力是表面氣蝕空蝕的根本原因。用液體表面力儀觀測了液體中空泡的快速增長和消失，同時監(jiān)測了它們在亞微觀水平上對空泡附近表面的影響。空泡的形成與其附近表面上高局部應變能的同時釋放密切相關(guān)，在許多實際情況下，在空泡的形成過程中更可能發(fā)生空蝕，而不是破裂過程中。

液體中壁面的空蝕是一個重要的工業(yè)和生物學問題，例如，螺旋槳葉片、高速潤滑軸承和金屬表面在超聲振動下的損壞或侵蝕，膝關(guān)節(jié)的磨損和減壓病(彎曲)。根據(jù)瑞利 1917年關(guān)于氣泡破裂的經(jīng)典論文(1)，空蝕被認為僅僅是由于真空空泡或氣泡破裂時產(chǎn)生的極大的內(nèi)爆壓力造成的。

在1960 年，研究表明空泡在破裂過程中會變形，并且在破裂階段撞擊表面的高速液體射流也會造成損壞，在表面上產(chǎn)生微小的凹坑或隕石坑(2)。壁面空蝕與空泡破裂最直接相關(guān)的證據(jù)來自空化隧道中的水翼實驗。該實驗通常表明，沿著水翼表面的最大侵蝕通常與空泡破裂的位置密切相關(guān)(3)。

從實驗室實驗中獲得了不太直接但更詳細的信息，其中高壓電火花或脈沖激光束用于在靠近表面的液體內(nèi)的特定位置人為地制造出氣泡核。然后用高速攝像機記錄它們隨后的時間演變(4，5)。

迄今為止，此類實驗無法確定空蝕發(fā)生時氣泡的形成—發(fā)育—破裂周期的確切階段 (6)。空泡生長和破裂的整個過程通常發(fā)生得非常迅速(10-6, 到10-3 s)，并且所有有趣的特征都具有亞微觀尺寸。由于這些原因，很難研究空泡的快速增長和破裂，尤其是這些過程與（彈性流體動力學）表面變形以及最終空蝕之間的關(guān)系。然而，通常認為空蝕只發(fā)生在空泡破裂（消亡）期間(4-7)。

這一課題在理論上受到了很多關(guān)注，但事實證明，很難得出一個統(tǒng)一理論，能給出令人滿意地解釋許多已經(jīng)觀察到的現(xiàn)象，即便是定性地(6, 8)。大多數(shù)理論處理從液體中已經(jīng)存在的空泡或氣泡開始，然后試圖確定它們破裂的過程和后果。奇怪的是，很少有理論或?qū)嶒炾P(guān)注自然條件下的空泡形成以及快速增長的空泡產(chǎn)生的第一沖擊波的影響(6)。

用表面力儀(sfa)裝置(9)研究了液體中兩個相互靠近或遠離的曲面的彈性流體動力學變形，我們注意到當兩個曲面分離的速度超過某一臨界速度時，就會產(chǎn)生蒸汽空泡。因為這些測量中使用的光學技術(shù) (10)使人們能夠?qū)崟r跟蹤表面變形(11，12)，并在納米級觀察空泡的形成 (13)，因此我們決定詳細地研究空泡形成和破裂的現(xiàn)象。

sfa 具有分子光滑的表面和埃分辨率，主要用于測量液體表面之間的作用力。使用“等色階條紋” (feco) 的光學干涉技術(shù)，不僅可以測量兩個表面之間任意點的距離(10, 12)，而且還可以測量它們隨時間變化的形狀 (11) 和表面之間的液橋 (14)或空泡 (13)的演變。因此，人們可以確定空蝕發(fā)生的時間和地點，以及它在模型系統(tǒng)中的傳播方式。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，所有這些過程都可以通過使用非常高粘度的液體來減緩(這使得這些事件的詳細視頻記錄(11)成為可能)。

傳統(tǒng)的sfa使用兩臺攝像機。一臺攝像機用作普通光學顯微鏡直接觀察表面，另一臺攝像機監(jiān)測移動的feco條紋。前者提供了兩個相鄰表面和它們之間的空泡的俯視圖，后者提供了液體中表面輪廓和折射率不連續(xù)的埃分辨率(10，13，14)。我們使用的是低分子量聚丁二烯(pbd)聚合物液體，分子量范圍為4×10³到10×10³之間，粘度范圍為10到180泊松(p) (15)。

這兩個表面被布置成以交叉柱面的形式彼此相對。由于每個表面的半徑r(~1 cm)遠大于間距d，因此該幾何形狀類似于平面附近的球體或靠近的兩個球體。在兩個曲面之間注入一大滴液體，控制室內(nèi)的空氣，使溶解在液體中的氣體為空氣、干燥的氮氣或水。分子光滑的表面要么是裸露的云母(一種對液體有強粘附性的高能極性表面)，要么是涂有表面活性劑的云母(一種對液體有弱粘附性的低能惰性碳氫化合物表面)。研究發(fā)現(xiàn)，對于所有研究的液體和表面，兩個表面的接近和分離的以下定性特征是相同的。

在不同的初始驅(qū)動速度v (0.01~5 μm/s)下，使兩個最初彎曲的彈性云母表面相互接近，觀察到表面的彈性流體動力學扁平化始于 10 到 200 nm 的有限表面分離。扁平化是由于粘性力的增加而發(fā)生的，粘性力彈性地壓縮支撐薄云母片的材料（膠層和玻璃盤）。扁平化開始時的表面分離取決于底層材料的彈性模量、接近速度和液體的粘度。

圖1顯示了 pbd 中粘度為 180 p的兩個接近表面的 feco 條紋圖案隨時間變化。最初（圖 1a）表面以穩(wěn)定的速度 v 相互接近但不變形。當表面相距約 50 nm 時（圖 1b），由于支撐材料的扁平化和壓縮，它們開始相對于彼此減速。

從圖 1b 到圖 1c，表面向內(nèi)凸起；也就是說，它們變成“鐘形”—— 這是兩個接近表面的彈性流體動力學變形的特征（16）。在圖 1c 中，驅(qū)動速度降低到零，因此從圖 1c 到圖 1d，表面自然松弛到平衡。表面在 d = 13 nm 的間隔處以扁平結(jié)構(gòu)平衡；該值由穿過液膜的兩個表面之間的短程排斥力確定(17)。

圖1

圖1 feco條紋圖隨時間t的變化t[(a) 0 s; (b), 1 s; (c), 5 s; (d),120s]，初始(未變形)半徑為r≈1 cm的兩個曲面在液態(tài)聚丁二烯 (pbd)中以0.1 um/s的速度相互靠近。光譜圖（左）中的表面輪廓λ（x）給出了兩個表面（右）的分離輪廓d（r）(10-12)。

將兩個曲面合并后分離的逆過程如圖 2 和圖 3 所示。表面不會簡單地通過改變接近時的路徑而恢復到原來的曲線形狀；這種現(xiàn)象似乎沒有得到太多研究，也沒有充分認識到它的重要性（16）。此外，當兩個表面在液體中分離時，可以根據(jù)分離速度采取兩種不同的路徑：第一種不涉及空泡的形成，第二種涉及。

圖2

圖2 在高粘度液體中，從（a）t=0，位移d=13 nm開始，兩個表面從扁平接觸分離期間隨著時間t改變feco條紋圖案（如圖1d所示）。(b)t=6s, d = 14 nm. (c)t = 10.48 s, d = 16 nm。在低分離速度下，表面分離，沒有氣蝕跡象：（d）t = 21 s，d = 36 nm；(e) t = 50 s, d = 50 nm; 和 (f) t = 100 s，d = 110 nm。

在分離速度略大于 vc 的情況下，在中心形成一個空泡，這里在 (d') t = 10.50 s，d = 44 nm 處的條紋圖案中可以看到不連續(xù)性?？张莩掷m(xù)數(shù)秒：(e') t = 17 s，d = 250 nm；和 (f') t = 22 s，d = 1000 nm。（a）至（f）的相應表面形狀如圖3（頂部）所示，而（a）至（f'）的相應表面形狀如圖3（中間）所示。

圖3

圖3 從feco條紋圖樣(圖2)和直接光學顯微鏡觀察可以確定，兩個彎曲云母表面以逐漸增加的分離速度分離的示意圖(19，20)。最有可能發(fā)生反沖和空蝕的地方用星號 (*) 表示。(上) v<v_c；分離平穩(wěn)；無空泡。(中間) v≥v_c；突然分離；中心有空泡和損壞形成。(底部) v>>v_c：突然分離，邊緣形成空泡和空蝕(彈坑狀)。

在低速（v<0.05 μm/s）下，分離是“連續(xù)的”或“平滑的”，如圖 2、a 到 f 和圖 3 頂部所示。在分離過程中，最初扁平的云母表面經(jīng)歷變得尖銳的階段，即向外凸出。當它們分開時，它們的形狀變得不那么尖，最終恢復到原來的未變形形狀。

如果增加分離速度，表面會變得更尖，即在它們迅速分開之前，彈性更大。這種行為表明，表面和液體上的最大應力都發(fā)生在這個高度尖銳的中心區(qū)域。然后，在某個臨界速度v_c（這里約為1 μm/s）以上，一個全新的分離機制接管，如圖 2（a 到 f'），和圖 3中間所示。液體不會順利分離，而是像固體一樣“斷裂”或“裂開”（18）。

這個過程釋放了高拉伸應力，使尖端表面突然恢復到原來的圓形，同時使兩個反沖表面之間形成一個空泡。這個過程如圖2d'所示，其中形成了一個44 nm厚的空泡。反沖是如此之快（在我們的 0.02 秒分辨率視頻錄制中是瞬間的），以至于產(chǎn)生的沖擊壓力一定非常大。從與隨后的空穴破裂相關(guān)的慢得多的（以秒為時間尺度）和更溫和的表面變形來判斷，我們得出結(jié)論，初始“反沖壓力”一定遠大于氣泡破裂或射流沖擊壓力（至少在這個系統(tǒng)中是這樣）。

從本質(zhì)上講，整個“反沖過程”可以被認為類似于將一個物體從由彈簧連接的表面上拉開，然后—當彈簧拉緊時—突然松開。當物體撞擊然后從表面反彈時，物體和表面都會感受到巨大的壓力（首先是拉伸，然后是壓縮，然后在反彈時再次拉伸）。每當在該系統(tǒng)中發(fā)生不可逆的表面空蝕時，它只發(fā)生在表面反沖（彈回）期間。

當分離兩個表面的速度增加到遠高于v_c時，甚至在彈性變形表面達到尖端階段之前，就會發(fā)生空蝕。在這種情況下，空蝕發(fā)生在兩個表面急劇分叉的圍繞中心的一個圓上(圖2b和圖3，底部)。在氣蝕的瞬間，表面幾何形狀就像兩個圓形隕石坑，一個翻轉(zhuǎn)另一個 ，隕石坑的邊緣會彈回來，留下一個甜甜圈形的空泡。然后這個空泡合并成一個單一的盤狀空泡或氣泡，通過向內(nèi)塌陷、破裂。這些破裂的空泡 (19) 的延時光學顯微鏡照片顯示，在破裂過程中，空腔穿過類似于泰勒和道森照片的花環(huán)形狀(20)。

剛剛描述的過程表明，在足夠高的分離速度下，兩個接觸表面沒有足夠的時間從它們最初的彎曲或扁平狀態(tài)彈性釋放——即使它們沒有接觸而是被非常薄的液體膜隔開。因此，在距中心有限的徑向距離處達到最大負壓，并且在此處，表面突然反彈（反沖），形成空泡（但不一定破裂），并發(fā)生損壞。

我們發(fā)現(xiàn)氣蝕氣泡既可以完全發(fā)生在液體內(nèi)，即遠離表面，也可以發(fā)生在固液界面。未經(jīng)處理的（極性）云母表面對 pbd 液體的粘附力強于液體分子本身之間的粘附力（“潤濕”條件）；因此，空泡完全在液體內(nèi)形成。相反，對于涂有表面活性劑單層的表面, 非極性固-液粘附力較弱 (21), 空泡在界面處形成。·我們得出結(jié)論, 空蝕通常只發(fā)生在空泡形成過程中, 即表面（反彈）反沖時，但在空泡破裂期間和破裂處都不會發(fā)生。

這個結(jié)論是通過兩種方式得出的：（i）在高分離速度下，空泡出現(xiàn)在接觸區(qū)的中心，在氣泡消亡（破裂）之前，表面可以重新結(jié)合在一起。feco條紋的變形形狀（圖4a）可以看出，兩個最初未受損的表面在中心已經(jīng)受損。氣泡通常會在消亡之前移動到另一個地方，而不會在那里造成任何明顯的損害。(ii) 在更高的分離速度下，在接觸區(qū)域周圍形成環(huán)形空泡，并且在該區(qū)域發(fā)生損壞（圖 4b）。在運動表面附近或兩個運動表面之間（例如，滾子軸承之間和兩個表面的潤滑滑動期間）產(chǎn)生空泡的系統(tǒng)中，可能會發(fā)生類似的損壞機制。表面反彈過程中可能發(fā)生空蝕的想法也很容易解釋材料如何從固體表面移除（“侵蝕”損傷）。

圖4

圖4 空蝕，被視為光滑feco邊緣上的不規(guī)則波紋。當 v≥v_c (a) 時發(fā)生在接觸區(qū)中心，當 v>>v_c (b) 時發(fā)生在圍繞中心的圓形邊緣上。這些情況分別對應于圖 3 的中間行和底行。

我們的研究結(jié)果表明，為了更好地理解如何避免空蝕，研究人員需要進行新類型的實驗，其中更多地關(guān)注空泡形成之前和期間表面的彈性流體力學變形，以及表面的材料和濕式抗蝕性能，這決定了空泡發(fā)生和生長最有可能發(fā)生在什么地方。