微沟槽周期结构表面的磁性复合流体微纳光整研究及实验教学装置应用

针对磁性复合流体黏度可控的特性,研究一种微纳沟槽表面可控抛光加工方法及工艺,实现低成本、可控微纳结构表面加工技术,并将其应用于微纳加工实验教学。采用磁性复合流体作为抛光液,设计端面式和圆周面式两种磁性复合流体抛光机构;根据周期性微米级沟槽表面结构特点,采用圆周面式磁性复合流体抛光机构进行微结构表面抛光加工实验;设计加工工艺,通过实验对比微沟槽周期结构表面加工效果,验证了实验装置及微结构可控抛光加工方法的有效性,实现微沟槽周期结构表面材料可控去除加工。该装置结构紧凑,使用与维护成本低,有效填补面向机械专业制造类课程的微纳加工实验教学装置技术空白。     

医用钛基合金植入体表面微纳结构的研究进展

针对医用钛基合金植入体表面微纳结构的国内外研究现状进行综述,介绍微纳结构的制备方法及其对生物相容性的影响,探讨医用钛基合金植入体表面微纳结构的研究存在的一些问题,指出植入体表面微纳结构的制备方法的研究趋势。分析表明:目前国内外学者对植入体表面微纳结构的制备方法可以分为表面增材法和表面减材法;植入体表面的微纳结构越规则,对人体细胞的粘附、增殖、分化等越具有积极的作用。     

声表面行波器件及其在微纳领域的应用

 声表面行波因其非接触性及生物相容性，在生物医学、诊断学领域得到了广泛关注。概述了声表面行波（TSAW）发生器件的基本结构，叉指换能器（IDT）的结构、参数、种类及引起声表面行波的内在机理，讨论了对微流体状态及微流体中粒子的声控制机理；综合当前该技术国内外研究现状，分析了在微纳领域中声表面行波相对于其他物理场的优势；针对声表面行波在微纳领域应用的技术难点及研究过程中存在的问题，提出了该技术的研究方向，并展望了其未来发展趋势。     

交错互通微通道网格板的孔隙特性与传热性能

采用多片叠合铣刀加工一种具有规则孔隙的表面热功能结构——交错互通微通道网格板(简称网格板).通过理论计算得出网格板的孔隙率、体积比表面积、重量比表面积等孔隙特性,并研究孔隙特性随微通道间距、微通道深度以及微通道宽度的变化规律.然后将网格板置于板式换热器中,分析体积流量、孔隙率以及体积比表面积对压降与传热性能的影响.结果表明:通过调节微通道间距、微通道深度和微通道宽度,孔隙率可以在10.9%~88.0%范围内变化,体积比表面积可以在2.89~6.40 mm-1范围内变化;网格板可使换热器的传热性能提升近3倍;同等条件下,高孔隙率和大体积比表面积的网格板强化传热效果较好.     

基于微流道技术的电磁功能结构防除冰系统流场与传热特性分析

基于微流道技术的电磁功能结构气热防除冰系统设计与其内/外流场的流体流动行为及传热特性密切相关。为了实现微流道气热防除冰系统设计,提出了一种流场-传热耦合数值分析方法,以气热空心石英纤维增强树脂基复合材料为微流道实现手段,进行了典型翼面前缘电磁功能结构的流场与传热特性仿真分析。结果表明:在-15 ℃的外部条件下,基于微流道的防除冰方案具备满足防除冰需求的潜力,为后续进行气热防除冰方案优化设计提供了理论支持。     

飞秒激光诱导Al_2O_3陶瓷表面微纳结构及润湿特性研究

飞秒激光以其极短脉宽和极高的峰值功率几乎可以胜任任何材料的加工.利用飞秒激光微加工平台,通过单点烧蚀和线扫描微加工的方式,在工业级氧化铝陶瓷材料表面诱导出随机分布的纳米结构和条纹结构,条纹结构的周期约为314 nm.文章研究了激光脉冲个数、扫描速度和偏振方向等参数对氧化铝陶瓷表面微纳结构形成的影响.结合激光直写技术,在陶瓷表面诱导出大面积的微纳结构分布,分析了加工前后陶瓷表面润湿特性的变化,实现了陶瓷表面改性.     

大口径光学元件微纳加工与检测技术研究与应用

超精密金刚石砂轮磨削是大口径先进光学元件微纳加工的主要技术,是实现确定性批量加工的重要保证.以实现高精度、高效率、高自动化程度加工为目的,阐述了大口径光学元件微纳加工与检测的加工技术系统,详细分析高精度加工设备及工艺控制、大尺寸检测、加工环境监控、快速抛光、表面织构化等研究应用情况.     

基于等离激元微纳结构的太阳能界面光蒸汽转换

作为人工微纳结构与光热转换的融合,太阳能光蒸汽转换成为近年来太阳能热利用领域的研究热点之一.基于人工微纳结构的等离激元吸收体,能够在整个太阳光谱范围内实现高效的光子捕获.等离激元吸收体表面和内部的光致局域加热,促成了高效的液气相变.与碳基吸收体相比,等离激元吸收体不但可将入射太阳光局域在亚波长尺度内,形成致密的热点,而且其吸收光谱可灵活调控.围绕等离激元吸收体的光蒸汽转换体系,还具有热响应快、材料抗腐蚀、可回收等优势,可用于海水淡化、污水处理、灭菌消毒等水处理领域.本文从光吸收和热局域两个角度阐述了等离激元光蒸汽转换系统的设计与优化,并对其应用前景作了展望.     

微米级余弦槽表面疏水性及冷凝传热实验研究

为了研究余弦微槽结构的疏水性和冷凝传热性能,首先制备了不同槽峰高度和槽距的微米级余弦槽结构表面,实验研究了不同结构微槽表面的静态接触角及其对滴状冷凝传热性能的影响,并对冷凝传热过程中液滴在微槽表面合并、脱落过程进行实验研究和热力学分析。结果表明,液滴在微槽表面的疏水性和传热性能都呈现明显的各向异性,横向静态接触角θ⊥明显高于纵向接触角θ∥。同时,冷凝传热过程中竖直纵槽阻碍液滴的横向合并,但其对液滴脱落过程起到极大促进作用,传热性能较光滑表面提高30%~50%,且峰距比越大液滴的脱落半径越小、脱落频率越高,表面传热效率也越高。水平横槽则相反,虽然增大峰距比促进了液滴合并,但却对其脱落过程产生不利影响,导致整体传热性能较纵向槽表面大幅下降,与光滑表面接近。引入表面润湿率对微槽表面的液滴脱落半径进行热力学计算,计算值与实验结果吻合较好,误差在20%以内。     

微纳马达在生物医疗领域中的应用

 作为微纳尺度的动力装置,微纳马达具有体积小、质量轻和驱动力大等优点,在传感检测、微纳加工和环境治理等方面表现出突出的优势,特别是在生物医疗领域具有巨大应用前景。本文阐述了生物医用微纳马达的制备及驱动控制方法,总结了微纳马达在药物靶向运输、细胞识别捕捉、纳米手术、吸附毒素及溶解血栓等生物医疗领域中的应用,并讨论了其在生物医疗领域面临的挑战和未来的发展方向。     

Static and dynamic characterization of droplets on hydrophobic surfaces

We report on our study of the static and dynamic wetting property of hydrophobic surfaces with micro-and dual micro/nano-scale structures.Simulations based on the lattice Boltzmann method showed that the apparent contact angle of water droplets on hy-drophobic surfaces with micro-scale structures increases as solid area decreases,whereas dual micro/nano-scale structures not only increase surface hydrophobicity but also greatly stabilize the Cassie state of droplets.Droplets falling on a superhydrophobic surface distort and,depending of free energy,sometimes bounced on the surface before finally adhering to the surface.These phenomena are in agreement with experimental observations.Simulated results also show that micro/nano-scale surface structures can increase droplet rebound height,which depends on static apparent contact angle.     

多孔表面微细结构内的蒸发换热

为了研究多孔槽道几何参数对多孔表面沸腾换热性能的影响 ,从分析多孔结构内微液膜蒸发和气液两相流的机理出发 ,借鉴微热管的研究方法 ,建立了描述多孔表面沸腾换热的细观动态模型。通过对沸腾起泡点分布的简化处理 ,进行了数值求解 ,计算结果与已有文献的实验数据一致。计算结果还表明 :对于微液膜换热 ,存在最佳液膜厚度 ,使液膜换热热阻最小。利用该模型 ,导出了多孔表面在常用沸腾工质中沸腾换热时的结构优化参数。这一模型对多孔表面微细结构的尺寸优化有理论指导作用     

微米及纳米级微粒的分离与操控研究进展

随着微/纳米技术的发展,寻求一种微/纳米粒子有效的分离操控技术是实现其应用的关键.本文综述了微/纳米级微粒分离操控的几种常用技术,并且着重介绍了介电泳的基本理论以及它在微/纳米级微粒分离操控的研究进展及其应用前景.     

从自然到仿生的超疏水纳米界面材料

浸润性是固体表面的重要特征之一,它是由表面的化学组成和微观几何结构决定的。日前我们关于荷叶和水稻叶的研究显示,一种具有较大接触角和较小滚动角的超疏水表面,需要微米和纳米级的结构有机结合形成复合结构,而且表面微观结构的排列方式会影响水滴的运动趋势。通过对水黾腿表面结构的详细研究,得到了超疏水性质与微、纳米结构取向之间的关系。据此,我们已成功制备出了超疏水和超双疏的纳米界面材料,并实现了热响应性和光响应的超疏水与超亲水可逆“开关”材料。     

重力场中沟槽管和烧结管传热性能的实验研究

为了研究重力场中不同吸液芯微热管的传热性能,选用了沟槽式和烧结式两种吸液芯的热管为研究对象,实验测量了两者在不同重力倾角时的温差、热阻和极限功率。实验结果表明:重力倾角小于15°时,沟槽管和烧结管的传热性能受重力的影响很小,重力倾角大于15°时,沟槽管的温差和热阻上升较大,极限功率下降幅度达78%,而烧结管的温差和热阻上升很小,极限功率下降幅度为31%;重力倾角为-30°时,烧结管温差、热阻和极限功率均略有上升,沟槽管则温差、热阻上升,极限功率下降;在对不同工质的研究中,发现水比乙醇和丙酮在有重力影响下更适合作为热管工质。     

自然环境中混凝土内微环境温度响应

研究了有/无遮挡条件对自然环境中一维混凝土内微环境温度响应的影响规律.基于傅立叶传热原理和第三类边界条件,推导出2种工况下的一维混凝土内微环境温度响应模型,并利用现场试验结果论证了所建模型的合理性;此外,还提出了利用实测结果求解混凝土的热扩散系数和表面换热系数等参数的方法.试验结果表明:所构筑的不同工况条件下的混凝土内微环境温度响应模型可表征混凝土内微环境温度响应变化规律,其理论拟合曲线与实测结果基本吻合;有/无遮挡条件对混凝土内微环境温度响应影响较大,主要体现在温度响应波幅、极值和出现时间等方面,这是因为主导混凝土与环境间的换热方式不同;基于理论推导和实测结果所解出的混凝土热扩散系数和表面换热系数等参数的精度较高.     

燃烧室热边界对微型发动机瞬态燃烧特性影响数值分析

为了研究燃烧室热边界对微型内燃机微燃烧特性的影响,以指导燃烧室设计,采用层流有限速率模型对微燃烧过程进行了仿真。首先对仿真结果开展了有效性分析,探讨了网格尺寸、时间步长、步长内最大计算步数3个建模因素对仿真结果的影响,结果表明仿真与实验比较吻合。在此基础上探索了散热系数、壁面厚度和材料3个参数对燃烧特性的影响。结果表明,散热系数对燃烧特性有较明显的影响,散热系数从0增加到55 W／（m2·K ）时,压力升高率减小,着火点延后,最高压力值下降了2个大气压。壁面厚度和材料对燃烧特性影响不大,分析表明这是由于在热量从缸内传到外界环境的热流路径中主要传热热阻是外壁面与环境之间的对流换热热阻所致。     

软接触电磁连铸结晶器传热行为研究现状

软接触电磁连铸是一项提高铸坯表面质量的新技术。从结晶器内钢液传热的过程综合论述了软接触结晶器的传热机理,并分析了结晶器内温度场影响因素的研究现状。最后指出了在结晶器传热过程中,以往的研究所没有涉及的方面。     

长菱形微针肋热沉的流动与换热特性

加工硅基长菱形微针肋热沉,并对其流动与换热性能进行试验研究和数值模拟。结果表明:在试验雷诺数Re范围内,长菱形针肋的换热系数随Re的增大而增大。雷诺数相同时,热流密度对换热系数的影响较小。热阻随泵功的增加不断降低;在泵功较小时,热阻降低的速度较快;当泵功增大到一定值时,热阻的变化趋于平缓。在一定的泵功下不同热流密度之间的总热阻没有太大的区别。努塞尔数Nu随Re增大而增大。与同样尺寸圆形、菱形针肋相比,长菱形针肋具有较好的换热性能,可以避免针肋尾部涡脱落造成的阻力损耗,同时长菱形针肋尾部延伸拓展了换热面积并扩大了固体导热区,从而提高换热效果。     

平板微热管的研究进展回顾与展望

热管是一种具有高热导率的多尺度传热材料,被广泛应用于换热器的余热回收再利用、太阳能集热器和数据中心冷却等领域。从循环动力和性能表现两方面入手探讨微热管传热影响因素的研究实验。针对平板微热管的结构组成和工作机理,综述了平板微热管微槽结构、充装工质及其充液率、工作状态的性能研究进展,剖析了蒸发段和冷凝段的状态对流动状态与传热特性之间的关系,如曲率半径、循环工质流量和有效导热系数等参数的表现,总结了平板微热管的模型结构设计与理论预测研究进展,并结合强化换热和沸腾传热,对微热管微通道的发展方向进行了展望。