發(fā)布時間：2016-10-23 08:13

第一章 緒 論

壓電泵的研究可追溯到二十世紀(jì)七十年代[23-53]，1987 年，W. J. Spencer 等[24]首次提出了一種基于微型壓電泵的電控胰島素緩釋系統(tǒng)，壓電泵由直徑為20mm 壓電雙晶片驅(qū)動，在 100V 的電壓下每脈沖的流量為 1.94μl.由于其獨(dú)特的優(yōu)勢，此后壓電泵受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛的關(guān)注。目前世界上許多國家（如日本、美國、荷蘭、瑞典、瑞士、英國、德國、新加坡、以色列等）都在進(jìn)行壓電泵的研制工作，而國內(nèi)從事這方面研究的科研機(jī)構(gòu)少、起步較晚，1998 年吉林大學(xué)壓電驅(qū)動研究室首次發(fā)表了有關(guān)壓電泵的研究報道[41]。進(jìn)入 21 世紀(jì)后，國內(nèi)外有閥壓電泵的發(fā)展迅速，已有大量的工業(yè)化產(chǎn)品問世。從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)角度，壓電泵可以分為兩類：一類是外形尺寸優(yōu)先的產(chǎn)品，這類產(chǎn)品充分發(fā)揮了壓電泵的小體積優(yōu)勢，相對而言性能較低，可將其歸類為微型泵；另一類是性能優(yōu)先的產(chǎn)品，在可以發(fā)揮壓電泵小體積優(yōu)勢的基礎(chǔ)上保證產(chǎn)品有較高的輸出性能，可將其歸類為小型泵。如圖 1.3 所示為常州志邦電子科技有限公司的微型壓電泵樣機(jī)，已經(jīng)產(chǎn)品化，其體積比一枚硬幣還小(ø10mm×3mm)，為國內(nèi)首創(chuàng)。作者參與了該產(chǎn)品的研發(fā)和產(chǎn)品化過程，本課題研究的主體即為此類微型壓電泵。

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第二章 滯留氣泡對壓電泵性能的影響機(jī)理

2.1 壓電泵構(gòu)成及工作原理

壓電材料的優(yōu)良特性，使得其在計(jì)算機(jī)，能源工程，自動化工業(yè)控制，醫(yī)學(xué)，汽車傳感器和電子產(chǎn)品加工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但是作為致動器，對壓電材料提出更高要求，包括：輸出力和變形量大，機(jī)械疲勞壽命長，耐壓特性好等等。所以致動器用壓電陶瓷與傳統(tǒng)用在選擇上有一定的區(qū)別。壓電陶瓷根據(jù)電學(xué)和機(jī)械特性的差異可以分為硬性陶瓷和軟性陶瓷。硬性陶瓷材料一般具有高功率，低損耗的特性，而軟性陶瓷則主要為低功耗高介電常數(shù)，表 2.1 展示了常用的壓電陶瓷特性。其中 P4 為典型硬性陶瓷材料，適用于水聲換能，超聲清洗等高功率場合，P5 則是典型軟性陶瓷材料，適用于蜂鳴器，致動器，壓力和加速度傳感器等低功率大振幅的場合。

2.2 腔內(nèi)氣泡對壓電泵的輸出性能影響

泵腔的體積變化由壓電振子振動產(chǎn)生，所以壓電振子的體積變化即為泵腔的體積變化，本小節(jié)將計(jì)算壓電振子在電壓驅(qū)動下產(chǎn)生的體積變化。壓電泵所用壓電振子為壓電陶瓷片和銅基板層合粘接而成，如圖 2.2 所示，粘結(jié)采用的膠水為特種環(huán)氧樹脂膠，在常溫即可固化，可以避免溫度變化產(chǎn)生的粘結(jié)缺陷。壓電振子的驅(qū)動頻率遠(yuǎn)小于其基頻，可以視作為壓電陶瓷材料各方向的彈性相同。在基本條件不變的前提下，壓電陶瓷片面積越大，壓電振子的輸出特性會越好。但是由于需要安裝，接線等工藝的要求，通常情況下，金屬基板的直徑要大于壓電陶瓷片的直徑。如圖 2.10 所示，壓電振子與基座采用高強(qiáng)度的 UV 膠固定，為了簡化分析，視壓電陶瓷片的面積即為壓電振子的有效工作面積，不考慮固定基板的影響，因此壓電振子的支撐方式如圖 2.11 所示，為夾支狀態(tài)。

第三章 閥片參數(shù)優(yōu)化用于氣泡控制的機(jī)理及效果研究.........................35

3.1 氣液兩相流的分類及轉(zhuǎn)換 ................35
3.2 兩相流經(jīng)過閥片時的壓力損失 .......37
3.3 輪式閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)研究 ................42
第四章 壓縮比優(yōu)化用于氣泡控制的機(jī)理及效果研究.............................55
4.1 壓縮比對氣泡滯留的影響 .................55
4.2 腔高與氣泡滯留的關(guān)系及實(shí)驗(yàn)研究 .............56
4.3 引流道的實(shí)驗(yàn)研究...........................60
第五章 壁面浸潤性優(yōu)化用于氣泡控制的機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究.....................65
5.1 超親/疏水性表面 ..............65
5.2 超親/疏水表面轉(zhuǎn)變 ............68
5.3 超親/疏水壁面的減阻 ..................70

第五章 壁面浸潤性優(yōu)化用于氣泡控制的機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究

5.1 超親/疏水性表面

等離子刻蝕法利用等離子體的自由基去轟擊或者濺射被加工表面的分子，形成超親/疏水的表面微結(jié)構(gòu)。等離子刻蝕法的通用性強(qiáng)，可用于不同材料和不同粗糙度表面的加工。它可以使用于金屬，硅片和玻璃片的表面，也可以使用于如拭鏡紙和棉布的粗燥表面上，并不需要額外的微粗燥處理。[156]化學(xué)刻蝕法，是用多種不同組成的化學(xué)試劑對待加工表面進(jìn)行刻蝕，利用材料的晶格缺陷或者腐蝕差異性選擇性刻蝕其表面，通過調(diào)節(jié)化學(xué)試劑濃度和反應(yīng)時間，獲得期望的疏水表面�；瘜W(xué)刻蝕法具有優(yōu)良的選擇性，使得其制作不同疏水尺度的表面變得容易。同時化學(xué)刻蝕，對刻蝕的表面形狀沒有嚴(yán)格要求，且處理效率高，價格低。但是其破壞材料本身并伴隨廢液產(chǎn)生的缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用范圍。[157]

5.2 超親/疏水表面轉(zhuǎn)變

壓電泵工作中，泵腔內(nèi)處于交變壓力狀態(tài)，腔內(nèi)表面做表面改性時，在交變壓力下，如果壓力足夠大，潤濕性會出現(xiàn)改變。在不同的壓力下，Cassie-Wenzel潤濕性出現(xiàn)過渡轉(zhuǎn)換。在臨界壓力下，疏水表面縫隙中存在的氣體會被液體填充，，使得表面的疏水特性喪失。這種轉(zhuǎn)換過程可以分為四個階段，首先疏水表面保持非潤濕階段，隨著壓力的增大，液體逐漸進(jìn)入粗糙表面的縫隙中，出現(xiàn)主要潤濕和強(qiáng)化潤濕兩個階段，在壓力達(dá)到臨界壓力時，疏水表面達(dá)到完全潤濕，完全潤濕后疏水效果消失。[160]圖 5.4 展示了四個階段的示意圖。由于液體進(jìn)入固體表面微結(jié)構(gòu)中，氣體被排除，三相界面已經(jīng)消除，在壓力去處后，疏水特性任然無法恢復(fù)。
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第六章 結(jié)論

通過分析氣泡對壓電泵輸出性能的影響機(jī)理，分析氣泡滯留、發(fā)生氣塞的內(nèi)在因素，建立相關(guān)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，為壓電泵氣泡排除能力的提高提供技術(shù)和理論基礎(chǔ)。本課題作為國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“壁面浸潤性改進(jìn)適用于壓電泵氣泡控制原理、方法和效果研究”（NO.51406065）研究工作的一部分，結(jié)論如下:1、建立了壓電泵的基本方程，分析了腔內(nèi)滯留氣泡對壓電泵輸出性能的影響，分析結(jié)果表明，氣泡滯留腔內(nèi)使得液體的等效體積彈性模量急劇下降，大大降低壓電泵的輸出流量和輸出壓力；建立了有滯留氣泡時的壓電泵的簡化動力學(xué)模型，分析了滯留氣泡對壓電泵最佳流量頻率的影響，可知滯留氣泡會降低壓電泵的最佳工作頻率，從而影響壓電泵的輸出性能；同時基于滯留氣泡時閥片的簡化數(shù)學(xué)模型，可知?dú)馀莸臏魰䥽?yán)重?cái)_亂閥片的動態(tài)運(yùn)動，從而降低壓電泵的工作性能。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：149991