大气条件下液态CO2 射流生成技术及其在精密切割中的应用研究

本研究突破CO2 三相点压力(0.518 MPa)限制，开发出可在常压下生成稳定液态CO2 射流的新系统。通过优化喷嘴直径(<0.1 mm)、预膨胀压力(85 MPa)和温度(-15°C)，实现聚氨酯泡沫等材料的精密冷切割，为无热损伤、无残留的绿色加工提供新方案。

　　

在传统制造领域，材料切割常面临热变形、刀具磨损和废料处理等难题。尤其对于热敏感材料如聚合物，常规水射流切割虽无热影响却需处理废水，而激光切割又易造成热损伤。更棘手的是，二氧化碳作为常见工业介质，其液态形式在常压下本不应存在——根据热力学原理，当压力低于三相点(0.518 MPa)时，CO₂
只能以固态或气态稳定存在。然而德国波鸿鲁尔大学的研究团队却突破这一限制，开发出能在常压下产生稳定液态CO₂
射流的创新技术，相关成果发表于《The Journal of Supercritical Fluids》。

这项研究始于一个反常识的现象：当液态CO₂
经微小喷嘴(<0.1 mm)在300 MPa超高压下膨胀至常压时，竟能短暂维持液态并形成数厘米长的连贯射流。这种"超临界态-液态"的非常规相变路径，为开发无热损伤、无残留的"干式"切割工艺提供了可能。相比传统水射流，CO₂
射流切割的优势在于：切割后介质直接气化，无需收集处理；工作温度低至-30°C，特别适合热敏感材料；且气态CO₂
可通过过滤去除有毒颗粒，在处理污染工件时更具安全性。

研究团队采用模块化系统设计，核心包括三级热交换器和400 MPa耐压管路。关键技术涉及：1）基于CNC平台的移动式切割头，配备螺旋管微型换热器(3.2 mm直径)实现末端精准温控；2）采用钻石/蓝宝石喷嘴(20-100 μm)对比测试；3）高速摄像系统捕捉射流形态；4）通过15°楔形聚氨酯泡沫试样量化切割深度。

【光学研究】发现0.02 mm喷嘴在40 MPa/10°C条件下仍能产生液态射流，而较大喷嘴需85 MPa/-15°C的苛刻条件。高速摄影显示液态射流呈透明圆柱状，与白色干冰喷雾形成鲜明对比。

【切割测试】揭示喷嘴直径与切割深度的正相关性：0.1 mm喷嘴在89 MPa/-23°C时切割深度达15.09 mm，是0.04 mm喷嘴(1.37 mm)的11倍。但小直径喷嘴(0.04 mm)能实现<100 μm的精细切口，较0.08 mm喷嘴(>200 μm)精度提升50%。

【机制分析】表明质量流量是关键参数——0.1 mm喷嘴的质量流量达1.5 g/s，其动量转化效率直接决定材料去除率。有趣的是，在多孔材料中观察到CO₂
气化导致的"微爆"现象，这为脆性材料加工提供了新思路。

该研究首次实现工业级CO₂
射流切割系统的连续化操作，通过精确控制喷嘴几何参数(直径、边缘锐度)和热力学条件(压力、温度)，成功将实验室现象转化为实用技术。特别值得注意的是，20 μm级微型喷嘴的突破使该技术有望应用于微电子器件等精密加工领域。未来通过优化射流稳定性(目前存在液-气振荡现象)和开发多轴联动系统，或将开辟"低温精密冷加工"新赛道，为生物医用材料、航空航天复合材料等特殊工件的加工提供革命性解决方案。