气动膜片式多材料微液滴按需喷射技术研究

微滴喷射是通过产生微米级的液滴实现微量流体精确分配的技术之一,是一种不同于传统减法制造的非接触式、数据驱动的加法式制造技术,代表了现代制造工艺新的发展方向.本文提出了可用于多种材料的气动膜片式按需喷射技术并构建了用于在线观测并分析液滴形成过程的基于延时触发的图像在线采集系统.利用该装置,进行了微液滴喷射的一致性分析,研究了设备结构参数及控制参数与液滴大小及喷射速度的关系,并分析了粘度及表面张力对流体喷射过程的影响.此外,制作了直径约为160.5μm的Sn63Pb37焊球和与基底接触面直径约为346.94μm的光固化胶胶滴阵列图型.实验表明,该气动膜片式按需喷射系统结构简单、可靠性好、耐受高温,可用于包括聚合物、低熔点胶材、高熔点金属的多材料微液滴喷射,在微电子和微系统封装、三维打印、有机半导体器件制作以及生命科学与化学分析等制造领域具有较大的发展潜力.     

自激振荡喷嘴的设计及其雾化性能实验研究

为了更好地解决呼吸性粉尘问题,根据雾化粒度越小越有利于捕集呼吸性粉尘这一研究经验,研制了自激振荡喷嘴。与常规内混式空气雾化喷嘴不同,该喷嘴设计了自激振荡挡板装置,通过增加雾滴破碎次数来达到进一步加强雾化效果的目的。采用马尔文激光雾粒测试系统,对自激振荡喷嘴的雾化性能进行实验研究,确定自激振荡挡板的最佳匹配方案为在距喷射孔7 mm处安置直径为2 mm的挡板。实验表明:相比常规内混式空气雾化喷嘴,自激振荡喷嘴的有效射程不变,雾化液滴的平均粒径降低了1/3,测得平均粒径DV50为13.85μm,而且雾化液滴粒径的分布更加均匀。     

电场驱动喷射沉积3D打印

多材料多尺度3D打印是当前增材制造的前沿方向、研究难点和亟待突破的关键技术,它在组织工程、新材料、新一代电子产品、OLED、印刷电子、软体机器人等诸多领域有着非常广泛的应用,但是现有的增材制造技术在实现多材料跨尺度3D打印面临许多挑战性难题.材料喷射沉积成形技术在实现多材料多尺度3D打印具有非常突出的优势和巨大的潜能,本文提出一种电场驱动喷射沉积3D打印新方法,它突破了现有材料喷射沉积3D打印在打印材料、接收衬底、喷嘴材料、跨尺度制造等方面的一些不足和限制性,尤其是结合多喷头技术,能够实现跨尺度多材料复杂三维结构一体化制造.首先,阐述了该方法的基本原理,并通过理论分析和数值模拟揭示了其成形机理;随后,通过系统的实验研究,验证了电场驱动喷射沉积3D打印对于衬底(或者已打印结构)材质、打印高度和位置、导电和非导电喷嘴、打印材料普适性,以及所提出的两种工作模式在实现跨尺度制造方面的可行性和有效性;最后,通过4个典型打印案例,展示了提出的电场驱动喷射沉积3D打印在实现异质、跨尺度复杂三维结构化制造的能力和突出优势,证明了它在实现多材料多尺度3D打印方面的可行性和有效性.本研究为探索低成本多材料跨尺度3D打印提供了一种全新的解决方案.     

液压支架用电磁先导阀的可视化模拟分析

本文通过建立高水基电磁先导阀的几何模型,利用计算流体动力学（CFD）仿真软件FLUENT的动网格技术,实现对先导阀精细结构的可视化模拟.通过比较分析稳态与动态工况下,不同开口量值时,阀内流体的流动状态,得出影响阀的性能因素,从而为阅的优化设计提供一定的理论依据.     

基于均匀金属微滴喷射的3D打印技术

均匀金属微滴喷射技术是基于喷墨打印的原理,于20世纪90年代初提出并发展起来的一种3D打印技术.它是以均匀金属微滴为基本成型单元,依据零件形状特征逐点、逐层"堆积"而实现三维结构的快速打印技术,具有喷射材料范围广、无约束自由成形和无需昂贵专用设备等优点,在微小复杂金属件制备、电路打印与电子封装以及结构功能一体化制造等领域具有广泛应用前景.由于金属材料具有熔点高、易氧化、粘性和表面张力大等特点,与非金属材料喷射沉积有很大差异.本文分析了金属微滴喷射方式及其机理,概述了此领域国内外研究现状,并结合笔者研究实践,阐述了金属微滴喷射沉积需要解决的关键技术及实例,如微滴喷射装置开发、喷射成型参数优化等,并对该技术的重点研究方向进行了展望.     

SiC/(W,Ti)C梯度陶瓷喷嘴的设计与制备

针对磨料喷射加工中陶瓷喷嘴在出、入口磨损最严重，而中间区域磨损相对较小的特点，提出将梯度材料理论运用于喷嘴材料的设计和制造中，研发梯度陶瓷喷嘴材料。通过控制陶瓷喷嘴材料的成分，使其沿喷嘴轴向呈梯度变化，从而使陶瓷喷嘴材料制备过程中于喷嘴入口表层形成残余压应力，达到缓解陶瓷喷嘴在使用过程中所产生的应力，提高其使用寿命的目的。建立了梯度陶瓷喷嘴的物理模型、物性参数模型及成分分布模型。采用有限元方法分析了SiC/(W,Ti)C单梯度陶瓷喷嘴分布指数P对应力的影响，确定了SiC/(W,Ti)C单梯度喷嘴最佳分布指数为0.5。以本设计模型和有限元分析结论为基础，制备了SiC/(W,Ti)C单梯度陶瓷喷嘴。     

热毛细对流自由表面特征

在流体力学领域, 流体自由面变化是非常重要的物理现象. 研究了矩形池内由液池两端温度差引起的热毛细对流的流体表面变形和表面波问题. 该液池的水平横截面尺寸为52 mm ´ 42 mm, 液池内盛有液层厚度为3.5 mm的1000号硅油. 实验过程中液池两端温度差逐渐增加, 液层内流体的流动从稳定的对流逐渐转变为不稳定状态. 实验中将Michelson光学干涉测量技术与图像处理技术相结合, 发展形成一种实时诊断流体表面形貌的实验测量系统. 应用Fourier变换方法对激光干涉条纹图像进行了计算和分析, 得到了流体表面变形和表面波的定量的实验结果. 实验结果表明在热毛细对流的发展过程中, 首先出现流体的表面变形, 液池两端温度差达到一定值之后, 在该变形的基础上, 会有表面波的信息叠加在其中, 该表面变形和表面波与流体的温度梯度、表面张力等有直接的关系; 表面波隐藏在表面变形内.     

辐射交联聚酯粒子制备绿色轮胎用湿法混炼共沉胶的研究

解决湿法混炼共沉胶的难加工问题对发展高性能绿色轮胎具有重要意义.本文提出"聚酯滚珠增塑橡胶"的概念,设计制备了辐射交联聚酯粒子(radiation-crosslinked polyester particles, REP),并研究了REP对湿法混炼共沉胶的加工性及硫化胶力学性能的影响.研究结果表明,在湿法混炼共沉胶加工过程中, REP的润滑作用能够帮助橡胶分子链解缠结,从而降低共沉胶门尼黏度,改善共沉胶的加工性,粒径为200 nm的REP能够使湿法混炼共沉胶的门尼黏度降低24%,加工耗能降低10%.此外, REP能够提高混炼胶硫化效率,改善硫化胶的力学性能.本文关于REP的增塑、增强橡胶作用机理的研究,对解决绿色轮胎制备过程中湿法混炼共沉胶的难加工问题和白炭黑的分散性问题具有重要的理论研究意义.     

基于AMESim的两自由度高频激振转阀的仿真研究

传统的伺服阀大部分都是滑阀式,虽然控制精度高、性能稳定,但其工作频宽有限,难以满足高频大流量液压系统的需求。为此,提出一种两自由度的高频激振转阀。首先介绍其结构与工作原理,并根据流体连续性方程、阀口流量方程等理论推导出转阀的数学模型和提出提高激振频率的方法。然后采用AMESim建立高频激振转阀的仿真模型,分析系统压力、系统流量和阀口面积的影响,发现转阀阀口的流量与压力都跟随系统压力和阀口面积的增大而提高,但两者都不受系统流量的影响。     

一类特殊的非牛顿介质剪切稀化过程的实验研究

为研究长链分子和表面活性剂对非牛顿流体流变特性的影响，分别在水中添加了羟乙基纤维素以及十二烷基三乙基溴化铵和十二烷基硫酸钠的混合物．流变实验结果显示，前者出现了典型的剪切稀化现象，而后者出现了先切稠后切稀的特殊流变现象．先切稠后切稀这种特殊的流变现象是由于活性剂分子形成的分子团在不同剪切速率下的团聚速率和分散速率不同造成的，溶液的黏度变化与剪切速率有关．结果表明，通过选择合适的添加剂可以调节流体流变特性，非牛顿介质的分类中应当包含这一类黏度非单调变化的流体．     

构形理论及其应用的研究进展

回顾了构形理论的产生与发展过程,指出事物结构源自于性能达到最优是其理论精髓.构形理论已发展成为研究自然界和工程界中各种形态组织和结构的一个新兴学科分支.从工程界中的热、机械、流体流动、电、磁、化学等学科,到自然界中的生命系统和非生命系统等广泛的研究领域,全面阐述了构形理论及其应用发展现状.     

以H_2O为冷却剂的开式喷雾冷却系统实验研究

为了获得用于机载激光武器冷却的喷雾冷却系统特性,设计并搭建了以H2O为冷却剂的开式喷雾冷却实验平台,研究了单相区喷雾冷却的换热性能。在实测出加热块温度的基础上,计算出表面温度、热流密度及传热系数,并通过上述参数考察了喷嘴类型、喷雾高度、喷射压力等因素对热沉表面换热性能的影响。结果表明:每种型号喷嘴都存在一个最优喷射高度值,使得喷雾冷却的性能达到最优,且最优高度值略小于临界高度值;同时随着系统加热功率的升高,喷射压力对喷雾冷却性能的影响更加明显。上述结论为机载激光武器冷却领域喷雾冷却系统的应用提供了参考依据。     

圆片级感应局部加热封装研究

提出一种MEMS高频电磁局部感应加热封装的方法, 并将其应用于圆片级感应局部加热封装. 为达到MEMS圆片级封装键合, 通过数值模拟和实验研究, 首先设计与优化感应器的结构, 其次验证PCB板在感应器内的加热情况, 初步实现了MEMS在均匀磁场中的均匀局部感应加热封装. 结果表明: 采用局部感应加热封装, 可有效降低封装过程中热对芯片的影响,可大大减小芯片的热应力, 有效提高MEMS器件的寿命.     

中高频激励下微振动流体阻尼器解析模型

航天器执行机构工作时产生的高频微幅扰振严重影响成像精度.针对中高频激励下微振动流体阻尼器,采用解析方法,考虑流体的压缩性及阻尼孔道内黏性损失,建立微振动流体阻尼器中高频激励下动力学解析模型,给出压差力在时域解析表达式,分析阻尼孔尺寸、流体黏度、激励幅值对动力学特性影响,结果表明,压差力中包含瞬态分量、阻尼力分量以及弹性力分量,阻尼力分量提供阻尼力,弹性力分量提供刚度,瞬态分量随时间衰减.孔径、孔长、阻尼液黏度变化会导致刚度和阻尼变化,激励幅值变化对刚度和阻尼没有影响.     

分叉网络的启动压力梯度研究

要高效地开发低渗透油藏,就需要充分认识低渗透油层自身所具有的特殊规律和性质,并准确地描述低渗透油藏的渗流力学规律.本文以低渗透油藏中可能存在的裂缝网络为研究背景,采用理想的分叉网络模型,研究非牛顿流体中的Binghan流体流过裂缝分叉网络时的启动压力梯度.研究表明低渗透分叉网络油藏中Binghan流体流动的启动压力梯度是流体的屈服应力和分叉网络微观结构参数的函数.本文建立的模型没有经验常数,每个参数都有明确的物理意义.本文的模型有助于进一步深入探讨裂缝网络型多孔介质的渗流机理.     

超声速气流中喷射角度对射流混合特性的影响研究

本文采用AUSMPW格式,求解全NS方程加SST双方程湍流模型,研究了超音速气流中横向喷射的流场.数值模拟给出了流场中由于射流喷射引起的附面层分离、马赫盘等现象,计算结果的壁面压力分布和试验结果吻合较好.在此基础上重点分析了喷射压力和喷射角度对燃料混合特性的影响.     

液压自动换向阀动态特性研究

液压激振系统中,换向阀的换向行程随激振频率的增高而迅速衰减,导致阀的通油能力下降,不能适应高频大流量激振系统要求。为此,本文提出一种新型位移反馈式液压自动换向阀。该阀主要由一个二位四通换向主阀和一个二位三通先导阀组成,其在高频换向时有较大的换向行程。为研究各参数对阀换向时动态特性的影响,建立阀的数学模型,并利用AMESim软件对自动换向阀系统进行仿真。通过仿真与试验分析发现,自动换向阀的换向频率与压力呈平方根关系;主阀芯换向行程受供油压力影响较小,主要与系统结构参数有关;通过合理的结构设计能使阀更好地适应高频大流量激振系统。     

多材料多尺度3D打印主动混合喷头的研究

多材料多尺度3D打印代表增材制造技术的前沿和未来发展方向,在功能驱动的"材料-结构-器件"的一体化制造,"创材"、"创物"和"创生"方面已经展示出巨大的潜能和广阔的应用前景.本文提出一种单喷头多材料多尺度3D打印新方法,针对核心功能部件——多材料主动混合喷头,开展了理论分析、数值模拟和实验验证的系统研究.提出一种多材料主动混合喷头,根据描述混合过程的物理方程(流体控制方程、湍流模型和稀物质扩散方程),阐述了叶轮直径、叶轮转速、流体黏度、体积力等因素对于混合效率和混合性能的影响及其规律;利用COMOSOL工程模拟软件,进一步揭示了叶轮直径、叶轮转速、流体黏度对于多材料混合的影响及其规律;最后,通过渐变色模型打印、变刚度模型打印和微尺度模型打印三个典型实验案例,验证了理论分析和数值模拟研究结果正确性和有效性.本研究为多材料多尺度3D打印奠定了理论基础,并为多材料多尺度3D打印装备的开发和工艺优化提供了重要理论支撑和方向性指导.     

高出光品质LED封装:现状及进展

发光二极管(light-emitting diode,LED)具有电光转换效率高、节能环保、体积小等优点,被誉为21世纪绿色照明光源.随着LED在越来越多的照明场合的应用推广和人们对于光源质量的要求的提高,LED出光品质越来越被重视.评价LED出光品质的指标主要有效率、空间颜色均匀性和显色指数,这些参数和LED封装密切相关.LED封装是将芯片和其他封装材料集成在一起形成最终的照明产品,起着机械保护、外部信号和电连接、散热和光学参数调控等关键性功能.本文从封装的角度,对LED的效率、空间颜色均匀性和显色指数的调控技术进行了系统阐述.具体到封装中的关键技术,主要包含以下3方面:(1)热设计.LED在工作过程中约有60%的输入电能被转化为热量,如果产生的热量不能及时有效地散到环境中,将会造成LED的温度急剧升高,导致LED的效率下降并带来可靠性问题.(2)光学设计.LED的光从芯片有源层中通过电子-空穴复合的方式产生后,在经过芯片、荧光粉、封装胶和透镜等材料后,由于散射和折射等作用,光的传播方向和路径会发生改变.此外由于吸收作用,部分的光被吸收并转换成热量.因此通过光学设计不仅可以调控LED光源能量分布,还可以减少光在封装材料中的吸收从而提高光效.(3)荧光粉涂覆.相比于多色发光LED芯片组合获得期望出光品质LED的封装形式,将单色或者多色荧光粉涂覆在单色LED芯片上的封装形式具有更强的相关色温可调性和工艺灵活性而被广泛应用于LED工业生产中.对于荧光粉结合芯片的白光LED封装形式,荧光粉涂覆起着调控空间颜色均匀性和显色指数的关键作用.     

法国加快研究为生物技术服务的微型机电系统

按照传统的定义 ,微型机电系统 (MEMS)一般都配备有运动部件 ,在小型化中需要遵守多种标准 ,比如 ,如何用传感器捕捉信息 ,如何对捕捉到的信息进行电子处理 ,然后再将信息传出 ,以供应用。整个系统是互相联系在一起的 ,并配以适当的外部封装 ,以寻求最佳的自主性。然而 ,CEA公司的项目负责人亚历山大·福奇斯 (AlexandraFuchs)说 ,“微型机电系统并不一定非带有运动部件 (如微型阀 ,微型泵等等 )。有时 ,这些部件的功能可以由疏水性效果 ,微型气泡等等所代替 ,这样就可以避免使用很难做得十分坚固的运动部件。”巴黎一家咨询事务所Alcim…