基于磁力场与速度场协同的高效微通道磁泳分离

磁泳是实现生化分离的重要手段之一.根据微通道内磁珠运动基本方程导出了影响磁泳分离效率的新因素,即磁场力矢量与流体速度矢量的夹角,提出改善磁力场与流场的协同性是提高磁泳分离效率的重要途径之一,并基于此设计了T型结构微通道磁泳分离芯片.通过建立磁珠运动的二维动力学模型,并运用有限元和龙格库塔法,对微通道内的磁泳分离效率进行了数值模拟研究.结果发现：相同条件下T型微通道分离效率较普通平直微通道明显提高;在高流速下直通道对小粒径磁珠的磁泳分离失效时,T型微通道仍能实现高效分离.进一步分析表明,T型微通道内分离效率提高的本质在于磁力场与流场的协同作用使得磁珠产生更大的偏转速度,从而增加了分离效率.研究结果对磁泳芯片优化设计具有理论指导意义.     

脉冲激光照射下混合工质超急速爆发沸腾研究

用脉冲激光加热浸没于不同体积配比的丙酮与乙醇混合液中的金属薄膜, 使其产生很高的温升速率, 从而导致混合液产生爆发沸腾. 采用快速瞬态温度检测系统测定了薄膜表面温度变化规律. 采用显微放大摄影系统观测与拍摄了混合液体工质产生爆发沸腾时汽泡生长的系列照片, 揭示了超急速爆发沸腾与常规沸腾的本质区别以及激光加热条件、混合工质体积配比等对超急速爆发沸腾的影响规律.     

疏水表面微通道电渗流的数值模拟

电渗流（EOF）广泛应用于微流控芯片中的流体传输与混合.针对具有一定滑移长度的疏水表面微通道,建立了描述EOF的控制方程,基于有限元分析方法对微通道EOF进行了数值模拟,研究了微通道高度、电场强度和溶液浓度等对EOF的影响.结果表明,疏水表面和亲水表面微通道EOF的瞬态过程相似,稳态时间尺度在ms量级,大小与微通道高度的平方成正比;EOF速度大小与电场强度成正比,与微通道高度无关;由于边界滑移的存在,疏水表面比亲水表面EOF速度明显增大,且随着溶液浓度的增大,EOF速度增大相对要大的多.该结论对于具有一定滑移长度的疏水表面微通道内EOF的精确操控具有一定的参考意义.     

恒壁温边界条件下不可压缩气流在微通道内的二维层流换热

基于贴壁层概念和已经求得的贴壁层内气体黏度和导热系数变化规律,求解了等壁温边界条件下微通道内气体完全发展的二维层流换热,分别得到了平行平板微槽道和微圆管内温度分布和对流换热系数.     

硅基微型振荡热管的流动可视化实验研究

利用MEMS技术,首次在硅基芯片上加工制作了梯形截面的微型振荡热管.借助摄像机,对以FC-72为工质的两个通道水力直径分别为352μm（#1）和394μm（#2）的微型振荡热管的启动和稳定情况下的运动特征和流型等进行了可视化观察.结果发现微型振荡热管的启动相当迅速,在启动过程中没有观察到明显的核化现象,蒸发段内的汽塞主要通过液塞断裂而产生;进入稳定阶段后,微型振荡热管对倾斜角度的适应性较强,在10°～90°的范围都可实现持续稳定的大幅振荡,但只在#2热管内明显地观察到工质的单向循环运动.实验中观察到泡状流、塞状流、环状流、半环状流和波环状流等,而核态沸腾只发生在#2热管的蒸发段,在其冷凝段还观察到了喷射流.     

应用于微结构制造自治系统的结构描述语言

本文介绍一种微结构描述语言。借助于这种描述语言，包括集成电路、MEMS等在内的各类微、纳尺寸的器件，都能够得到描述并借此进入微结构制造自治系统。微结构制造自治系统是我所提出的一种概念性系统，意指具备一定的智能，能够应对多种制造过程突发情况的全自动化的集成电路无人制造系统。系统在获得特定加工对象的结构描述之后，可对结构进行分析，提取结构特征并自动生成加工制造工艺。本文结合一个CMOS结构实例，介绍了所定义的微结构描述语言的各项先进特性。这方面研究工作的重要意义在于，每个微结构器件，包括将要被发明的，可视为微结构描述语言所能够描述的对象集中的一个特例，从而得到统一的分析与处理。结构特征的分析，为接下来的工艺流程自动生成工作搜集和准备了必要的结构信息。     

微纳通道内稠密气体流动和换热的Monte Carlo模拟

使用Enskog模拟Monte Carlo法(ESMC)对稠密气体在微纳通道内的流动和换热进行了模拟, 并与直接模拟Monte Carlo法(DSMC)和一致性Boltzmann算法(CBA)所得的结果进行了对比, 对微纳通道内稠密气体流动和换热特性进行了分析. 结果表明, 当气体密度较大时, 稠密气体效应对流动和换热的影响不可忽略, 这种效应使得通道内壁面阻力系数减小, 且壁面换热特性也与不考虑稠密气体效应时有所不同.     

微通道稀薄气体流动换热特性的研究

用直接模拟Monte Carlo方法对处于Kn = 0.05~1.0范围下的微通道内气体的换热特性进行了分析研究, 结果给出了不同Kn数、不同横纵比下通道内气体温度、壁面热流密度的变化曲线以及同一工况下壁面总的热流密度与局部热流密度随进口流速的变化曲线. 结果表明, 微通道内的换热主要集中在进出口处, 中间部分的换热很微弱, 其换热特性与Kn数及通道的横纵比有很大的关系, 进口流速对总的换热量影响不大, 但却改变了局部热流密度的分布.     

超流氦噪声沸腾中温度振荡的瞬态测量

噪声沸腾现象是发生在超流氦中的一个特殊现象，在沸腾过程中伴随着巨大的噪声和剧烈的机械振动，通过改变加热脉冲时间th和热流密度q，在不同的工况下进行了实验研究。在超流氦浴中使用超导温度传感器对噪声沸腾过程的湿度振荡进行了瞬态测量，实验结果表明噪声沸腾中的温度振荡是由热边界层的传播才（或）气泡的膨胀所致。     

裂尖前方纳米尺度的微结构及原子象研究

用STM研究了石墨表面微裂纹前方纳米尺度的微结构的特征 .结果表明 ,STM的针尖和样品之间的互作用力能引起空位团的产生和迁移 ,从而导致裂纹扩展 .在加载条件下 ,用AFM研究了云母加载裂尖的微结构和原子排列 .发现云母表面加载裂尖前方存在一个约 1 0nm宽的高畸变区 ,它被一个约 1 1 0nm的异常弹性区所包围 .另外还观察到 ,在高畸变区中存在有许多小空位片 .     

电液动力微泵的制作及实验研究

提出一种基于MEMS加工技术的新型电液动力微泵,介绍了电液动力微泵的工作机理和分类;从材料的选取,微电极的优化设计及电液动力微泵的封装工艺几方面介绍了电液动力微泵的制作过程;进行了针对不同工作流体和微通道尺寸的电液动力微泵的静压力实验和流动试验.实验结果表明:当施加90V驱动电压时,微泵最高能得到268Pa的静压头,微泵驱动流体的最大流速可以达到106μL/min;本文分析了微泵与热管相结合解决大功率电子芯片的散热问题前景,微泵所驱动的液体在热管的蒸发段完全气化,可实现的最大散热能力可达到87W/cm2.     

基于多物理场耦合计算的正六边形微通道热沉构形研究

提出了新的微通道正六边形热沉分别在无回流、边缘回流和中心回流3种回流方式下4种通道结构的设计原型,基于热-流-力-应变的多物理场耦合计算,研究了回流方式、微通道分支数和微通道分布演化对正六边形热沉的最大热阻和基于耗散的当量热阻的影响,并进行了热应力和形变分析.数值计算结果表明:以最大热阻最小化和当量热阻最小化为目标, 3种回流方式中的中心回流式为最佳回流方式,中心回流式六分支微通道正六边形热沉按上层微通道沿六边形内切圆半径分布、下层微通道沿六边形外接圆半径分布为最优构形,可使传热性能最优,且最大热应力为0.28 GPa,比硅的屈服强度小1个数量级以上,最大形变为1.4μm.所得结果可为实际微通道热沉提供多学科设计的理论支撑.     

嵌有离子选择性膜的微通道内增强电渗流及除盐效应分析

离子选择性纳米多孔膜材料在分子分离、海水淡化、生物分子富集、电池等诸多科学工程领域都有着非常重要的应用.本文通过数值仿真分析嵌有阳离子选择性膜的带电微通道内增强电渗流以及系统的除盐效应.结果表明,当浓度为1 mmol L~(-1)的KCl溶液在40 V cm~(-1)的外电场驱动下流过长60μm、宽10μm的微通道时,如果在通道中心离子选择膜性上加25 mV的跨膜电压,除盐效率约为29%;而当跨膜电压为250 mV时,除盐效率则高达89%.流体运动方面,在低跨膜电压下,通道内流体运动由传统电渗流主导,压力流主要用于平衡通道上游与下游电渗流速度的差别.然而在高跨膜电压下,膜表面附近生成很强的非线性涡流,进而形成泵效应;通道内流体运动则是压力流为主导,通道上下游均呈现带滑移边界的压力流特征.对照等参数的无膜通道,嵌膜系统在跨膜电压为400 mV时可以实现15倍以上的流速.本文所揭示物理机制可为新型微泵以及海水淡化装置的设计及优化提供重要的指导.     

图案化SiC和SiCN陶瓷微结构的制备

采用毛细管微模塑技术和转移微模塑技术, 以硅片为栽片, 以图案化聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体为模板, 以聚碳硅烷(PCS)和聚硅氮烷(PSZ)为先驱体, 经过先驱体的渗入、先驱体的交联固化、弹性模板的去除以及图案化先驱体的无机化, 制备了图案化SiC和SiCN陶瓷微结构. 研究结果表明, 所制备的陶瓷微结构的尺寸和形状受模板的图案化尺寸和形状控制. 由于SiC和SiCN非氧化物陶瓷自身的优良性能将使得所制备的图案化SiC和SiCN陶瓷微结构在高温、高压等环境下具有非常广泛的应用前景.     

交流电场增强的牛副结核快速血清免疫检测

人/动物发病初期的免疫检测在疾病诊断和防治领域具有重要意义.发病初期病患血清中抗体浓度较低,而传统检测方法单纯依靠抗体自身的随机运动使之与抗原结合发生特异性免疫反应,需要数小时甚至更长的时间才能识别出阳性血清,不利于疾病的快速诊断.因此加快对血清中低浓度抗体的检测速度是提高临床诊断效率的关键因素.本文提出基于交流电热和介电泳技术的血清中低浓度抗体快速检测的新方法,搭建"硅基底非对称平行电极阵列-PDMS微通道"微流控测试平台,以牛副结核为例,通过对免疫反应过程中"电极/血清"界面双电层电容的实时测量,以单位时间内电容的相对变化率为指标,成功分辨出阴性和阳性血清,检测时间仅为2 min.结合交流电场下微流体的流动和可极化粒子的介电泳理论,分析了免疫反应加快的机理.交流电场加速了微通道内抗体分子的对流和传质,大幅度提高了免疫反应效率,结合免疫反应方程,给出了免疫检测过程中微通道内抗体浓度变化的数值仿真,在理论上证明了快速血清免疫检测新方法的可行性.     

MH-Ni电池中正极材料β-Ni(OH)2微结构的对比

微结构主要指微应变、微晶和堆垛层错, 它们都会引起X射线衍射线的宽化现象. 在总结前人工作的基础上, 提出并建立了分离微晶-堆垛层错二重、微晶-微应变-层错三重宽化效应的最小二乘方方法和相关的计算程序, 于是可分别计算出微应变(微应力)、微晶大小和堆垛层错几率. 用这种方法对不同来源的β-Ni(OH)₂原材料、普通MH-Ni电池活化前后和循环寿命试验前后的β-Ni(OH)₂、正极中加有Ca化合物的电池在循环寿命试验后β-Ni(OH)₂的微结构进行了对比分析和研究. 实验结果表明, 活化和循环充放电的影响是巨大的, 使微晶形状和尺度、微应变状态和堆垛层错几率都发生重大变化, 而且这些微结构参数与电池的电化学性能之间有一定的对应关系.     

蓄压式燃气发生器内弹道分析与预计

针对我国姿态控制和轨道控制液体火箭发动机推进荆输送系统，围绕蓄压式燃气发生器内弹道预计开展研究。探讨了喷管在超临界状态和亚临界状态下其内部燃气流动的变化规律；分析了燃气发生器工作结束后在对流换热和稳态导热条件下燃气发生器和储气瓶内高温燃气与外界环境的换热过程；编写了内弹道计算程序，在试验论证的基础上，表明该程序可初步预计蓄压式燃气发生器内弹道性能。     

微反应器的发展现状

微反应器在传质、传热、恒温等性能方面的表现都明显优于传统反应器，小尺寸、较大的面积体积比、规整的微通道使它便于运输又安全快捷.本文就微反应器的设计、制造、原理和放大等一系列问题的研究现状进行了总结和概括，并对它的应用前景进行了展望。     

微三角形槽道内非均匀定热流加热下的滑移流动换热

针对微三角形槽道, 利用正交函数法求解了滑移流区内带温度跳跃边界条件的能量方程, 理论分析了多种不同非均匀定热流密度加热条件下不可压缩气体在微三角形槽道内热充分发展滑移流动的换热特性, 获得了相应的温度分布及平均Nusselt数的计算式. 讨论了Knudsen数、微槽高宽比及不同加热边界条件对平均Nusselt数的影响. 计算结果表明: 正交函数法适用于微三角形槽道内滑移流动换热特性的分析计算; 在滑移流区, 微三角形槽道内的平均Nusselt数随Kn数的增加而减小, 但减小的幅度随微槽的高宽比和加热边界条件的不同而不同. 对微正三角形槽道而言, 相比单独底边加热条件, 两斜边加热条件下的换热性能在小Kn数时下降较缓, 在大Kn数时下降较大. 最后得到了非均匀加热边界条件下微正三角形槽道内平均Nusselt数的计算关联式.     

气体膨胀液体的纳米尺度的表征——气体膨胀液体的理论模拟-实验协同研究新进展

气体膨胀液体是一类新的环境友好溶剂，通过调节气体的压力，可预先设计气体膨胀液体的诸多性质，从而使它们的溶剂强度及传输性质等特性介于常规液体和超临界流体之间。一方面，相对于超临界流体过程。气体膨胀液体具有更为宽广的应用范围，且操作条件较为温和；另一方面，目前在传统工业过程中，正在尝试选择气体膨胀液体取代有机溶剂，以减少环境污染。本文简要介绍了气体膨胀液体的定义、溶剂特性、在化学研究各个领域的潜在应用，以及利用模拟计算-实验协同研究手段进行有关气体膨胀液体性质表征方面的最新研究进展。