超聲電噴技術(shù)的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、靜電噴射產(chǎn)生的微米、納米級(jí)帶電液滴尺寸分布均勻、可控性強(qiáng)，因而這一技術(shù)被廣泛應(yīng)用于靜電噴涂、薄膜制備、納米顆粒制備、空間推進(jìn)等領(lǐng)域。靜電噴射通常采用毛細(xì)管或微細(xì)針作為發(fā)射極，單個(gè)發(fā)射極的發(fā)射電流小，工作效率低。為此，需要采用微細(xì)加工的發(fā)射極陣列來(lái)提高發(fā)射電流。受現(xiàn)階段微細(xì)加工和裝配技術(shù)的限制，微細(xì)發(fā)射針的集成密度有限，且成本較高。本文針對(duì)提高靜電噴射發(fā)射點(diǎn)的數(shù)量和密度的需求，開(kāi)展了一種全新的超聲電噴技術(shù)(Ultrasonically E

2、lectrostatic Spraying,簡(jiǎn)稱UES)的研究工作。
　　超聲電噴是基于靜電噴射的原理，并結(jié)合了超聲振動(dòng)的相關(guān)技術(shù)。通過(guò)給發(fā)射面上的工作液施加超聲振動(dòng)，發(fā)射面上將出現(xiàn)大量密集的駐波，每一個(gè)駐波波峰可以作為一個(gè)發(fā)射點(diǎn)，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)靜電噴射的毛細(xì)管或微細(xì)針。同時(shí)，對(duì)微細(xì)駐波陣列施加強(qiáng)靜電場(chǎng)，強(qiáng)靜電場(chǎng)作用下的微細(xì)駐波波峰將形成泰勒錐，并發(fā)射微細(xì)帶電液滴。調(diào)節(jié)超聲振動(dòng)的頻率，可使每平方厘米發(fā)射面內(nèi)微細(xì)駐波的數(shù)量達(dá)到幾萬(wàn)至幾

3、百萬(wàn)個(gè)，大大提高了發(fā)射點(diǎn)的數(shù)量和密度。
　　本文對(duì)超聲電噴發(fā)射帶電液滴的機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析，包括超聲振動(dòng)下發(fā)射面上臨界穩(wěn)定駐波陣列的形成及觀測(cè)、靜電場(chǎng)作用下波峰泰勒錐的形成、微細(xì)帶電液滴分離及發(fā)射過(guò)程。建立了相應(yīng)的發(fā)射理論模型，推導(dǎo)了超聲電噴所發(fā)射帶電液滴的半徑、荷質(zhì)比、發(fā)射電流以及在空間推進(jìn)應(yīng)用中需要的推力及比沖的理論式，并探討了各項(xiàng)參數(shù)對(duì)超聲電噴工作性能的影響。此外，基于理論模型，對(duì)采用典型工作液時(shí)的超聲電噴工作性能進(jìn)行了理論

4、推導(dǎo)。
　　為研究超聲電噴的工作特性，設(shè)計(jì)搭建了各參數(shù)可調(diào)節(jié)的大氣和真空環(huán)境實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在大氣環(huán)境試驗(yàn)平臺(tái)上分別研究了吸極電壓、吸極到發(fā)射面間距、振動(dòng)頻率、振動(dòng)功率、工作液流量、吸極尺寸以及工作液物理性質(zhì)等參數(shù)對(duì)超聲電噴工作性能的影響規(guī)律。研究表明，適量增大吸極電壓可增大發(fā)射電流；合理的吸極間距有利于提高發(fā)射效果；提高振動(dòng)頻率，可提高發(fā)射點(diǎn)的數(shù)目，從而增加液滴的數(shù)量和發(fā)射電流；振動(dòng)功率存在最優(yōu)值，使得發(fā)射電流達(dá)到該工況下的最大值；工

5、作液的供給速度也存在最優(yōu)值，使得工作液的供應(yīng)和消耗達(dá)到平衡；合適的吸極尺寸有利于帶電液滴的發(fā)射；導(dǎo)電率高、表面張力低、粘度低的工作液可得到更出色的發(fā)射效果。在真空運(yùn)行環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)研究表明，超聲電噴的工作性能比大氣環(huán)境中更好，發(fā)射電流更大；真空和大氣的工作液最優(yōu)振動(dòng)功率值相同；真空中，也存在合理的吸極間距和吸極尺寸，使得發(fā)射效果更好。
　　綜上所述，超聲電噴在提高帶電液滴的發(fā)射電流和工作性能方面有很大潛力，有望解決靜電噴射發(fā)射極集成