脉冲微孔喷射法均匀球形微米级粒子的制备及其影响因素研究

摘要

均匀微米级液滴和粒子在基础科学研究领域、电子封装领域、新型能源领域、化工领域等均具有广泛的应用，在现有的制备方法中，按需喷射法由于硬件成本低廉、设备简单稳定、适用范围广等优点具有较大的优势和发展潜力。脉冲微孔喷射法(PulsatedOrifice Ejection Method，POEM)作为按需喷射法中的一种，利用压电陶瓷带动压片或传动杆进行往复运动，通过该机械振动使每次等量的熔体从坩埚底部的微孔中喷出产生液滴，液滴在表面张力的作用下形成球形，在下落过程中凝固成均匀粒子，并为收集系统收集。该方法可以满足多种材料粒子的制备需要，且所制备的粒子具有粒径均匀、圆球度高、热履历一致、粒径可控等优点。
　　本文依托自行设计研制的脉冲微孔喷射系统制备了63Sn-37Pb均匀微米级球形粒子，通过模拟手段，评价了该方法可制备材料需满足的物性条件;此外，研究了粒子粒径的影响因素，构建了设备喷射部模型，并根据此模型推导了粒径的理论公式。通过研究，得到以下结论:脉冲微孔喷射系统可制备粒径均匀、圆球度高、表面质量好的粒子，脉冲微孔喷射法具有较好的发展潜力;制备液体和微孔之间的接触角对液滴的产生有明显影响，接触角大于90°是该材料能够成功制备的必要条件;表面张力对液滴的产生情况具有较大影响，表面张力过大或过小，都将导致液滴无法稳定产生;增大液体的粘度会导致缩颈时间延长，但粘度对液滴尺寸和液滴能否成功制备均无明显影响;在实验范围内，粒径随着微孔直径、坩埚内外压力差、传动杆直径、压电陶瓷驱动电压、压电陶瓷驱动波形上升沿时间的增大而增大，其中，微孔直径、坩埚内外压力差、传动杆直径、压电陶瓷驱动波形的上升沿时间都对粒子粒径有显著影响，而随着压电陶瓷驱动电压的增大，粒径的增大范围较小，压电陶瓷驱动波形的保持沿时间、压电陶瓷的驱动频率、加热温度对粒径影响不大;基于哈根-泊肃叶定律和流体在同心环管中的定常流动规律，推导得到了粒径的理论表达式，该公式与实验规律相符合。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 立题背景

1．2 微米级液滴及粒子的现有制备方法

1．2．1 雾化法

1．2．2 切丝或打孔重熔法

1．2．3 乳化法

1．2．4 连续式均匀液滴喷射法

1．2．5 按需式均匀液滴喷射法

1．2．6 其他方法

1．3 微米级液滴和粒子的应用领域及研究现状

1．3．1 基础科学研究

1．3．2 微液滴喷射沉积快速成型

1．3．3 BGA电子封装

1．3．4 硅球形太阳能电池

1．3．5 其他领域

1．4 论文的主要研究目的及内容

2 实验设备及方法

2．1 实验设备

2．2 实验步骤

2．2．1 实验准备

2．2．2 装料过程

2．2．3 抽取真空并充入惰性气体

2．2．4 加热

2．2．5 液滴产生及下落

2．2．6 粒子收集及评价

2．3 实验参数

3 脉冲微孔喷射法中流体物理性质对液滴形成影响的模拟

3．1 概述

3．2 模型建立

3．2．1 流体控制方程

3．2．2 边界条件

3．2．3 VOF方法

3．3 模拟结果与讨论

3．3．1 接触角对液滴产生的影响

3．3．2 表面张力对液滴产生的影响

3．3．3 粘度对液滴产生的影响

3．4 本章小结

4 脉冲微孔喷射法粒子的制备及粒径控制

4．1 概述

4．2 实验方法及结果

4．2．1 实验方法及实验参数

4．2．2 粒子表面形貌及粒径分布

4．2．3 粒子粒径测量

4．3 液滴产生过程及模型

4．3．1 液滴产生过程

4．3．2 喷射模型及粒径计算

4．4 粒径控制参数研究

4．4．1 微孔直径

4．4．2 坩埚内外压力差

4．4．3 压电陶瓷驱动电压

4．4．4 压电陶瓷波形

4．4．5 压电陶瓷振动频率

4．4．6 传动杆直径

4．4．7 加热温度

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文及申请专利情况

致谢