精密喷雾片电铸成型数值分析与实验研究

摘要

含有大进出口孔径差、高孔深的均匀喇叭形微孔阵列结构的喷雾片，因具有效率高、雾化粒径均匀、工作寿命长等优点，是高性能端雾化设备的核心元件，但具有上述特征的喷雾片的制备颇具挑战性。本文从数值仿真发的角度出发，研究了掩膜斑厚度、中心间距以及直径等因素对微孔廓形的影响，在理论上探索了喷雾片微孔的成型机理；并在不锈钢表面采用光刻的工艺制备出厚度很薄的掩膜斑，并利用电铸成型的方法，最终在不锈钢基底表面上制备微孔直径在4.8μm、厚度24μm的喷雾片。由于采用这种加工方法制备精密喷雾片所涉及的主要环节是依据于光刻技术制作的掩膜斑而实施，掩膜斑的参数很大程度上决定着所加工喷雾片微孔的形貌（如喷雾片有效厚度、微孔孔径大小、喇叭廓形等）。本文以实现大进液口、小出液口、有效厚度高单向喇叭状喷雾片微孔阵列为目标，依托光刻和微细电铸为工艺平台，从数值仿真与实验研究两方面探究了喷雾片微孔廓形随掩膜斑的各个参数对喷雾片喇叭状微孔廓形的影响规律，并对喷雾片的性能进行了评价。主要研究内容如下： （1）建立了以掩膜斑掩膜斑为芯模的电铸仿真模型，在此模型的基础上，分析了掩膜斑掩膜斑的厚度、直径以及中心间距对喷雾片微孔廓形的影响规律。仿真结果显示：在保持喷雾片厚度不变的情况下，通过减小掩膜斑的直径，可以获得较小出液口直径的微孔喷雾片；在保持喷雾片出液口直径和微孔密度不变的情况下，通过调整掩膜斑的厚度，可以获得不同厚度的喷雾片。 （2）采用光刻和电铸成型技术制备出了喷雾片，实验研究了电铸时间、掩膜斑中心间距对微孔廓形的影响，并验证了此技术的可行性。实验结果显示：在掩膜斑参数相同的情况下，喷雾片厚度对微孔出液口直径的收缩影响较大，厚度越大微孔的收缩速度越慢；掩膜斑中心间距对喷雾片微孔的廓形几乎没有影响；仿真结果中微孔进液口处会出现不同程度的隆起，但实验结果中微孔进液口边缘几乎不存在隆起。 （3）实验研究了不同微孔直径下喷雾片雾化粒径的分布规律。结果显示：微孔直径为12μm时，雾化量较大，且液滴的粒径分布较集中，但粒径比较大，累积体积分布曲线上升较陡峭，直径在11μm~23μm之间液滴的累积体积占到80%；微孔直径为4.8μm，雾化量较小，液滴直径的累积体积分布曲线上升较缓慢，但制备的液滴直径较小。