液体压电泵中气泡控制的机理、方法及效果研究

发布时间：2016-10-23 08:13

第一章 绪 论

压电泵的研究可追溯到二十世纪七十年代[23-53]，1987 年，W. J. Spencer 等[24]首次提出了一种基于微型压电泵的电控胰岛素缓释系统，压电泵由直径为20mm 压电双晶片驱动，在 100V 的电压下每脉冲的流量为 1.94μl.由于其独特的优势，此后压电泵受到了国内外学者的广泛的关注。目前世界上许多国家（如日本、美国、荷兰、瑞典、瑞士、英国、德国、新加坡、以色列等）都在进行压电泵的研制工作，而国内从事这方面研究的科研机构少、起步较晚，1998 年吉林大学压电驱动研究室首次发表了有关压电泵的研究报道[41]。进入 21 世纪后，国内外有阀压电泵的发展迅速，已有大量的工业化产品问世。从产品的设计角度，压电泵可以分为两类：一类是外形尺寸优先的产品，这类产品充分发挥了压电泵的小体积优势，相对而言性能较低，可将其归类为微型泵；另一类是性能优先的产品，在可以发挥压电泵小体积优势的基础上保证产品有较高的输出性能，可将其归类为小型泵。如图 1.3 所示为常州志邦电子科技有限公司的微型压电泵样机，已经产品化，其体积比一枚硬币还小(ø10mm×3mm)，为国内首创。作者参与了该产品的研发和产品化过程，本课题研究的主体即为此类微型压电泵。

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第二章 滞留气泡对压电泵性能的影响机理

2.1 压电泵构成及工作原理

压电材料的优良特性，使得其在计算机，能源工程，自动化工业控制，医学，汽车传感器和电子产品加工等领域得到了广泛的应用，但是作为致动器，对压电材料提出更高要求，包括：输出力和变形量大，机械疲劳寿命长，耐压特性好等等。所以致动器用压电陶瓷与传统用在选择上有一定的区别。压电陶瓷根据电学和机械特性的差异可以分为硬性陶瓷和软性陶瓷。硬性陶瓷材料一般具有高功率，低损耗的特性，而软性陶瓷则主要为低功耗高介电常数，表 2.1 展示了常用的压电陶瓷特性。其中 P4 为典型硬性陶瓷材料，适用于水声换能，超声清洗等高功率场合，P5 则是典型软性陶瓷材料，适用于蜂鸣器，致动器，压力和加速度传感器等低功率大振幅的场合。

2.2 腔内气泡对压电泵的输出性能影响

泵腔的体积变化由压电振子振动产生，所以压电振子的体积变化即为泵腔的体积变化，本小节将计算压电振子在电压驱动下产生的体积变化。压电泵所用压电振子为压电陶瓷片和铜基板层合粘接而成，如图 2.2 所示，粘结采用的胶水为特种环氧树脂胶，在常温即可固化，可以避免温度变化产生的粘结缺陷。压电振子的驱动频率远小于其基频，可以视作为压电陶瓷材料各方向的弹性相同。在基本条件不变的前提下，压电陶瓷片面积越大，压电振子的输出特性会越好。但是由于需要安装，接线等工艺的要求，通常情况下，金属基板的直径要大于压电陶瓷片的直径。如图 2.10 所示，压电振子与基座采用高强度的 UV 胶固定，为了简化分析，视压电陶瓷片的面积即为压电振子的有效工作面积，不考虑固定基板的影响，因此压电振子的支撑方式如图 2.11 所示，为夹支状态。

第三章 阀片参数优化用于气泡控制的机理及效果研究.........................35

3.1 气液两相流的分类及转换 ................35
3.2 两相流经过阀片时的压力损失 .......37
3.3 轮式阀结构优化的实验研究 ................42
第四章 压缩比优化用于气泡控制的机理及效果研究.............................55
4.1 压缩比对气泡滞留的影响 .................55
4.2 腔高与气泡滞留的关系及实验研究 .............56
4.3 引流道的实验研究...........................60
第五章 壁面浸润性优化用于气泡控制的机理及实验研究.....................65
5.1 超亲/疏水性表面 ..............65
5.2 超亲/疏水表面转变 ............68
5.3 超亲/疏水壁面的减阻 ..................70

第五章 壁面浸润性优化用于气泡控制的机理及实验研究

5.1 超亲/疏水性表面

等离子刻蚀法利用等离子体的自由基去轰击或者溅射被加工表面的分子，形成超亲/疏水的表面微结构。等离子刻蚀法的通用性强，可用于不同材料和不同粗糙度表面的加工。它可以使用于金属，硅片和玻璃片的表面，也可以使用于如拭镜纸和棉布的粗燥表面上，并不需要额外的微粗燥处理。[156]化学刻蚀法，是用多种不同组成的化学试剂对待加工表面进行刻蚀，利用材料的晶格缺陷或者腐蚀差异性选择性刻蚀其表面，通过调节化学试剂浓度和反应时间，获得期望的疏水表面。化学刻蚀法具有优良的选择性，使得其制作不同疏水尺度的表面变得容易。同时化学刻蚀，对刻蚀的表面形状没有严格要求，且处理效率高，价格低。但是其破坏材料本身并伴随废液产生的缺点限制了其应用范围。[157]

5.2 超亲/疏水表面转变

压电泵工作中，泵腔内处于交变压力状态，腔内表面做表面改性时，在交变压力下，如果压力足够大，润湿性会出现改变。在不同的压力下，Cassie-Wenzel润湿性出现过渡转换。在临界压力下，疏水表面缝隙中存在的气体会被液体填充，，使得表面的疏水特性丧失。这种转换过程可以分为四个阶段，首先疏水表面保持非润湿阶段，随着压力的增大，液体逐渐进入粗糙表面的缝隙中，出现主要润湿和强化润湿两个阶段，在压力达到临界压力时，疏水表面达到完全润湿，完全润湿后疏水效果消失。[160]图 5.4 展示了四个阶段的示意图。由于液体进入固体表面微结构中，气体被排除，三相界面已经消除，在压力去处后，疏水特性任然无法恢复。
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第六章 结论

通过分析气泡对压电泵输出性能的影响机理，分析气泡滞留、发生气塞的内在因素，建立相关的动态数学模型，为压电泵气泡排除能力的提高提供技术和理论基础。本课题作为国家自然科学基金项目“壁面浸润性改进适用于压电泵气泡控制原理、方法和效果研究”（NO.51406065）研究工作的一部分，结论如下:1、建立了压电泵的基本方程，分析了腔内滞留气泡对压电泵输出性能的影响，分析结果表明，气泡滞留腔内使得液体的等效体积弹性模量急剧下降，大大降低压电泵的输出流量和输出压力；建立了有滞留气泡时的压电泵的简化动力学模型，分析了滞留气泡对压电泵最佳流量频率的影响，可知滞留气泡会降低压电泵的最佳工作频率，从而影响压电泵的输出性能；同时基于滞留气泡时阀片的简化数学模型，可知气泡的滞留会严重扰乱阀片的动态运动，从而降低压电泵的工作性能。

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参考文献（略）

本文编号：149991