超声电喷技术的机理和实验研究

摘要

静电喷射产生的微米、纳米级带电液滴尺寸分布均匀、可控性强，因而这一技术被广泛应用于静电喷涂、薄膜制备、纳米颗粒制备、空间推进等领域。静电喷射通常采用毛细管或微细针作为发射极，单个发射极的发射电流小，工作效率低。为此，需要采用微细加工的发射极阵列来提高发射电流。受现阶段微细加工和装配技术的限制，微细发射针的集成密度有限，且成本较高。本文针对提高静电喷射发射点的数量和密度的需求，开展了一种全新的超声电喷技术(Ultrasonically Electrostatic Spraying,简称UES)的研究工作。
　　超声电喷是基于静电喷射的原理，并结合了超声振动的相关技术。通过给发射面上的工作液施加超声振动，发射面上将出现大量密集的驻波，每一个驻波波峰可以作为一个发射点，从而代替传统静电喷射的毛细管或微细针。同时，对微细驻波阵列施加强静电场，强静电场作用下的微细驻波波峰将形成泰勒锥，并发射微细带电液滴。调节超声振动的频率，可使每平方厘米发射面内微细驻波的数量达到几万至几百万个，大大提高了发射点的数量和密度。
　　本文对超声电喷发射带电液滴的机理进行了详细分析，包括超声振动下发射面上临界稳定驻波阵列的形成及观测、静电场作用下波峰泰勒锥的形成、微细带电液滴分离及发射过程。建立了相应的发射理论模型，推导了超声电喷所发射带电液滴的半径、荷质比、发射电流以及在空间推进应用中需要的推力及比冲的理论式，并探讨了各项参数对超声电喷工作性能的影响。此外，基于理论模型，对采用典型工作液时的超声电喷工作性能进行了理论推导。
　　为研究超声电喷的工作特性，设计搭建了各参数可调节的大气和真空环境实验平台。在大气环境试验平台上分别研究了吸极电压、吸极到发射面间距、振动频率、振动功率、工作液流量、吸极尺寸以及工作液物理性质等参数对超声电喷工作性能的影响规律。研究表明，适量增大吸极电压可增大发射电流；合理的吸极间距有利于提高发射效果；提高振动频率，可提高发射点的数目，从而增加液滴的数量和发射电流；振动功率存在最优值，使得发射电流达到该工况下的最大值；工作液的供给速度也存在最优值，使得工作液的供应和消耗达到平衡；合适的吸极尺寸有利于带电液滴的发射；导电率高、表面张力低、粘度低的工作液可得到更出色的发射效果。在真空运行环境下的实验研究表明，超声电喷的工作性能比大气环境中更好，发射电流更大；真空和大气的工作液最优振动功率值相同；真空中，也存在合理的吸极间距和吸极尺寸，使得发射效果更好。
　　综上所述，超声电喷在提高带电液滴的发射电流和工作性能方面有很大潜力，有望解决静电喷射发射极集成密度低、数量少、工作效率偏低的问题，值得进一步深入研究。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2静电喷射技术的研究现状

1.3课题研究内容

第二章 超声电喷技术的机理分析

2.1超声电喷技术的原理

2.2超声电喷技术的发射机理

2.3泰勒锥球冠处局部静电场强度的数值分析

2.4典型工质下的超声电喷性能分析

2.5本章小结

第三章 超声电喷技术实验平台

3.1实验平台原理

3.2实验平台各部分组成

3.3本章小结

第四章 超声电喷技术的实验研究

4.1超声电喷发射现象及性能评价

4.2吸极电压大小的影响

4.3吸极到发射面间距的影响

4.4对发射面施加振动频率大小的影响

4.5对发射面施加振动功率大小的影响

4.6工作液流量的影响

4.7不同尺寸的圆环状吸极实验

4.8工作液物理性质的影响实验

4.9超声电喷真空环境下的工作性能实验

4.10本章小结

第五章 总结与展望

5.1全文总结

5.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的学术成果

奖学金和荣誉