碳纳米管微气泡发生器的电热性能及气泡动力学研究

摘要

近年来，喷印技术在一些大面积的器件(例如柔性显示器)制备上的应用受到越来越多的关注。热喷印技术是基于微气泡发生器的一种简易的喷印技术。以碳纳米管(Carbon Nanotube，简称“CNT”)作为微气泡发生器中的加热元件，利用碳纳米管中的高密度焦耳热，可在微气泡发生器中产生直径仅为微米量级的气泡，其所需的功耗比典型的基于金属或多晶硅微气泡发生器小1～2个数量级，在微机电系统(MEMS)领域也具有广泛的应用前景。精确控制微气泡是碳纳米管微气泡发生器在喷印系统中应用的关键，进行有关微气泡产生的热工程分析和微流体方面的研究十分重要。
　　 本文分别以单根碳纳米管和碳纳米管束作为加热元件建立了工作在液体环境下的碳纳米管微气泡发生器的有限元模型，利用有限元分析软件ANSYS对微气泡发生器的电热特性进行了模拟分析，研究了碳纳米管微气泡发生器的结构参数和材料参数与其电热性能之间的关系。模拟结果表明基于碳纳米管束的微气泡发生的电热性能优于单根碳纳米管的；电极厚度和电极间距的变化对微气泡发生器的功耗影响较大，掩膜层厚度对微气泡发生器的功耗影响较小；碳纳米管产生相同的中心温度，电极越厚，微气泡发生器的功耗越大；掩膜层越厚，微气泡发生器的功耗越大；CNT热导率越低，掩膜层热导率越低，功耗越低；当材料参数和其他结构参数一定的情况下，微气泡发生器的功耗与电极间距的关系可拟合为二次多项式关系，即存在一个理想的电极间距使微气泡发生器的功耗最低，为器件的设计和优化提供了依据。本文还对微气泡成核前和微气泡产生后的微流体温度场进行了模拟分析。对微气泡的受力分析表明，存在梯度的表面张力是影响微气泡运动的主要因素。