技术论坛

• 旋转结构摩擦纳米发电机的材料、结构及应用研究进展

  陈云飞;雷锐;金哲林;程广贵;丁建宁;

  综述了近年来旋转结构摩擦纳米发电机(R-TENG)在能量收集和传感领域的研究进展，介绍了不同结构R-TENG的基本工作原理、性能调控以及应用。详细分析了导电刷式结构、接触-分离式结构、独立层式结构以及恒流式结构的R-TENG,总结了各种结构R-TENG将振动、旋转、波浪、风和热源等能量高效转化为电能的方法和规律，比较了它们各自的结构设计、外部激励和电力输出。重点介绍了独立层结构中较为关键的减磨结构、悬浮结构以及模式切换。研究表明R-TENG具有将环境中的机械能转化为电能的应用潜力。最后，指出了R-TENG未能进行产业化的主要原因，同时展望了R-TENG在自供能传感、分布式能源等领域的未来发展方向。

  2024年10期 v.61;No.569 7-20页 [查看摘要][在线阅读][下载 2197K]
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• 金属卤化物零维钙钛矿材料及其应用研究进展

  李依璇;郭丹;翟天瑞;

  金属卤化物零维钙钛矿因其大激子结合能、出色的稳定性、高发光效率以及大Stokes位移等优点，受到广泛的关注。首先，探讨了金属卤化物零维钙钛矿的电子结构与发光机理。其次，分析了离子掺杂对金属卤化物零维钙钛矿光学特性的影响。在此基础上，阐述了金属卤化物零维钙钛矿的合成方法，并详细介绍了金属卤化物零维钙钛矿在发光二极管、防伪、X射线成像和传感等领域的应用。最后，对目前金属卤化物零维钙钛矿面对的挑战和潜在解决方案进行了总结与展望。

  2024年10期 v.61;No.569 21-39页 [查看摘要][在线阅读][下载 2245K]
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• 基于甲烷吸收峰波长参考的温度自适应光纤光栅解调系统

  张笑恒;迟宗涛;王传才;李继东;

  设计了一种基于甲烷吸收峰波长参考的低成本、低功耗、温度自适应的布拉格光纤光栅(FBG)解调系统。详细介绍了该系统的总体设计和关键技术，包括：垂直腔面发射激光器(VCSEL)的特性分析和选取、甲烷吸收峰波长选取和甲烷吸收峰波长与VCSEL扫描波长范围匹配、光纤光栅波长选取和光纤光栅波长与VCSEL扫描波长范围匹配、利用甲烷气体吸收峰波长作为参考波长测量计算FBG的波长变化。实验结果表明，该系统无需温控，即可动态地选择和锁定不同的甲烷吸收峰波长作为参考波长解调光纤光栅波长，在10～40℃工作温度下系统的有效波长扫描范围为3.5 nm,可作为无线传感网络的传感节点。

  2024年10期 v.61;No.569 40-47页 [查看摘要][在线阅读][下载 1432K]
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• 过渡金属碳化物超级电容器电极材料研究进展

  罗兴;马雪婧;尹易;杨静蕾;张伟彬;

  在能源问题日益突出的背景下，超级电容器作为一种高效的电化学储能装置备受关注，其快速充放电、循环稳定性等特点使其成为当前研究的热点。过渡金属碳化物因其具有良好的导电性和化学稳定性而被用作新型电极材料。首先介绍了过渡金属碳化物的晶体结构与基本物理化学性质，随后探讨了过渡金属碳化物及其作为电极材料在超级电容器中的应用。此外详细介绍了双电层电极材料和赝电容电极材料的特性，结合材料特性探讨了过渡金属碳化物电极材料的制备方法，包括碳化钼、碳化钛、碳化铌、碳化钒以及其他的碳化物。依据材料结构与性能的密切关系，阐述了过渡金属碳化物作为电极材料对提高超级电容器电化学性能的重要意义。最后总结了过渡金属碳化物在超级电容器领域的重要性，展望了未来可能的研究方向。

  2024年10期 v.61;No.569 48-58页 [查看摘要][在线阅读][下载 1505K]
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器件与技术

• 基于手性超表面的宽波段圆偏振光电探测器的仿真设计

  张浩;王守桐;张然;褚金奎;

  针对用于检测圆偏振光的超紧凑光电探测器的工作波段大多分布在近红外及中红外且工作波段较窄的问题，设计了一种具有较宽工作带宽的圆偏振光集成光电探测器。该探测器由石墨烯与手性超表面集成，当不同圆偏振光作用在手性超表面上时，会产生不同程度的近场光学增强，利用手性超表面在较宽波段下的强偏振依赖性来增强探测器的偏振选择性。通过时域有限差分(FDTD)仿真及优化超表面结构，手性超表面在波长为577～797 nm波段内的圆二色性≥0.18。设计的圆偏振光电探测器主要工作在可见光波段，工作带宽可以达到约220 nm。该探测器的设计为单一片上偏振计检测更宽波段的圆偏振光提供了新的设想。

  2024年10期 v.61;No.569 59-64页 [查看摘要][在线阅读][下载 1258K]
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• 基于新型亚微米层状结构碲化钒可饱和吸收体的纳秒锁模掺铒脉冲光纤激光器

  张康;冯鸣;解金月;宋峰;

  将亚微米层状结构的碲化钒(VTe_2)与聚乙烯醇(PVA)充分混合，制备了VTe_2-PVA可饱和吸收体(SA)薄膜。利用紫外分光光度计测量了其线性吸收特性，发现其在400～1 800 nm波段均具有良好的吸收，证明VTe_2-PVA SA薄膜具有优异的宽带吸收特性。将制备好的VTe_2-PVA SA薄膜置于跳线端面并接入搭建的掺铒光纤激光腔内，构建了一个全光纤结构的纳秒锁模脉冲光纤激光器。该激光器输出的锁模脉冲中心波长为1 568.15 nm, 3 dB带宽为0.639 nm,脉冲宽度为4.3 ns。采用掺铒光纤激光腔结构，锁模脉冲最大平均输出功率为1.123 mW。实验结果表明亚微米层状结构的VTe_2具有作为一种低成本的新型可饱和吸收材料的潜力，为被动锁模脉冲光纤激光器的发展开辟了新的道路。

  2024年10期 v.61;No.569 65-71页 [查看摘要][在线阅读][下载 1398K]
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材料与结构

• 氮化镓/金刚石异质结构界面热输运特性的分子动力学研究

  陆吕杰;魏宁;

  金刚石具有极高的热导率，作为衬底材料在解决氮化镓基电子器件的散热问题上前景良好。穿过界面的声子传输行为决定了氮化镓/金刚石异质结构界面的热性能。采用非平衡分子动力学方法研究了尺寸、温度以及空位缺陷对氮化镓/金刚石界面热导率的影响，通过声子态密度及其重叠因子对界面热导率的变化进行微观分析。研究表明，在热输运方向上异质结构长度尺寸变化时，界面热导率无明显变化且始终在0.39～0.42 GW/(m~2·K)。当提高外界温度时，界面热导率也随之增大，并且在400 K下达到0.46 GW/(m~2·K)。温度升高导致晶格振动剧烈，界面处的声子匹配度增加。引入空位缺陷后，由于空位缺陷会导致声子频率降低并且增加声子的散射，界面热导率在30%的空位缺陷浓度下为0.24 GW/(m~2·K)。该研究结果有助于调控氮化镓基半导体器件的热输运性能，并为异质界面器件的设计提供理论了参考。

  2024年10期 v.61;No.569 72-78页 [查看摘要][在线阅读][下载 1594K]
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• 多晶Sb₂Se₃薄膜的载流子扩散复合研究

  周青山;冯博浩;舒京婷;任佳欢;王宗成;党伟;

  研究Sb_2Se_3中的载流子复合和扩散对提高其光电性能至关重要。瞬态吸收光谱技术可以深入地描述材料载流子的复合、转移瞬态行为，这有助于理解材料的光物理特性，表征光电材料或器件的性能。测试不同激发波长和激发密度下的多晶Sb_2Se_3薄膜的瞬态吸收光谱。首先分析了瞬态吸收光谱的主要特征，然后提取了自由载流子复合动力学曲线，利用载流子的扩散复合方程对自由载流子的动力学曲线进行拟合。研究得到载流子双极性扩散系数D为1.80×10~(-6) m~2/s,载流子表面复合速率S为1 400 m/s,一阶载流子复合系数k_1为2.50×10~(10)～4.50×10~(10) s~(-1),三阶俄歇复合系数k_3为1.50×10~(-40)～8.00×10~(-40) m~6/s。研究结果有助于加深对Sb_2Se_3薄膜载流子复合的理解。

  2024年10期 v.61;No.569 79-86页 [查看摘要][在线阅读][下载 1571K]
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• Li⁺增强NaGd(WO₄)₂: Yb³⁺/Er³⁺荧光粉的上转换发光和温度传感性能

  吴超飞;田孜雨;刘一凡;王恒越;穆浩楠;徐若瑜;贺乔;于晓晨;

  采用水热法制备了NaGd(WO_4)_2∶0.05Yb~(3+)/0.005Er~(3+)/xLi~+(x=0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.05)荧光粉。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和光致发光(PL)谱等手段分析了样品的晶体结构、形貌和上转换发光性能。结果表明，Li~+的掺杂并未改变NaGd(WO_4)_2∶Yb~(3+)/Er~(3+)荧光粉的四方相晶体结构，但在波长980 nm激光二极管(LD)激发下，样品的上转换发光强度发生明显改变。随着x的增加，Er~(3+)的绿光和红光发光强度均呈现先升高后降低的趋势，当x=0.03时，发光强度达到最大值。上转换发光强度与泵浦功率的依赖关系表明，绿光和红光发射都属于双光子吸收过程。此外，采用基于Er~(3+)热耦合能级的荧光强度比(FIR)测温技术，研究了NaGd(WO_4)_2∶0.05Yb~(3+)/0.005Er~(3+)/0.03Li~+荧光粉在298～573 K温度范围内的温度传感性能。该结果表明NaGd(WO_4)_2∶0.05Yb~(3+)/0.005Er~(3+)/0.03Li~+荧光粉相对灵敏度(S_R)在298 K时达到最大值0.011 9 K~(-1),表明其在光学温度传感领域具有潜在的应用价值。

  2024年10期 v.61;No.569 87-96页 [查看摘要][在线阅读][下载 1687K]
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MEMS与传感器

• 用于海洋三维温度场监测的MEMS温压一体式传感器

  曹书野;张弛;和欣;黄健;周继明;吴梦希;刘军山;

  海水温度和深度信息的采集在水文、气象、渔业、生态保护等领域具有重要意义。基于微机电系统(MEMS)技术研制了一种用于海水温度及深度检测的温压一体式传感器。该传感器采用双面设计，利用薄膜式铂电阻传感单元和压阻式压力传感单元分别检测温度和深度信息。两种传感单元均可通过MEMS工艺进行制作，且制作工艺互相兼容，因此，该传感器具有尺寸小、易于大批量制造、可与CMOS集成等优点。经对该传感器性能进行测试，温度传感单元在0～40℃范围内的电阻温度系数为0.27%/℃,测量精度为±0.04℃,同一批次样品电阻温度系数标准偏差为±0.004 9%/℃;压力传感单元的量程为0～10 MPa,在该量程范围内其有良好的线性度(R~2=0.999 3)、灵敏度(14.14 mV/MPa)和批量一致性(灵敏度的标准偏差为±0.896 mV/MPa)。此外，利用温度传感单元信号对压力传感单元在不同温度下的输出电压进行温度-压力解耦，解耦后压力传感单元在5～35℃温度范围内的最大相对误差由8.42%降低至1.07%。开发的MEMS温压一体式传感器满足了海水温度和深度检测的性能需求，有望解决海洋三维温度场监测的难题，在海洋环境保护和水文信息采集等领域有着广泛的应用前景。

  2024年10期 v.61;No.569 97-105页 [查看摘要][在线阅读][下载 1468K]
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• 基于胶膜转印的气动微阀及微流控芯片

  徐校杰;田浩为;邱晔;吴梦希;刘军山;

  微阀是微流控芯片的重要部件，然而现有的微阀存在加工复杂、不利于批量生产等缺点，限制了微流控芯片的应用范围。研发了基于胶膜转印的胶粘键合方法，采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流道和聚二甲硅氧烷(PDMS)柔性薄膜制备了带有气动微阀的微流控芯片。通过调节转印参数，在PDMS薄膜上可控地制备了厚度约为1μm胶膜，随后利用微米级的胶膜实现了PDMS薄膜与PMMA微流道层的胶粘键合，既避免了微流道的堵塞，又保证了微流道结构的精确性。设计并制备了由上层气体流道、中间柔性薄膜和下层液体流道构成的气动微阀，由上层气体流道内输入气压驱动PDMS薄膜向下层的液体流道变形以实现流体控制功能。构建了静力学模型分析微阀的关闭特性，根据薄膜变形的仿真结果优化微阀结构，确保微阀的有效截止。经测试，微阀具有优异的开关特性，关闭的响应时间为550 ms,开启的响应时间为200 ms。表征了不同气体和液体压强下的体积流量变化规律，验证了气动微阀可以实现对流体体积流量的精准调控。通过研发胶膜转印工艺实现了PMMA和PDMS的高效无损键合，开发了适合大规模制造的气动微阀，为微流控芯片进一步的实际应用开辟了新的途径。

  2024年10期 v.61;No.569 106-113页 [查看摘要][在线阅读][下载 1620K]
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• 用于电力巡检机器人智能夹持及旋拧作业的柔性触觉末端

  郭欣欣;滕飞;郭旭;刘健;张培远;刘平;

  面向电力巡检机器人对旋拧作业状态进行精确监测的需求，采用聚乙烯醇、溴化钠作为介电层，并结合纱网-砂纸倒模工艺，制备了一种具有微结构化复合离子凝胶介电层的高灵敏柔性电容式压力传感器。由于离子凝胶介电层和微结构的引入，该电容式压力传感器在较低压力下(0～75 kPa)具有较高的灵敏度(26.85 kPa~(-1))以及高线性度(相关系数R~2=0.994),在较高压力下(75～270 kPa)也能具备一定的灵敏度(12.58 kPa~(-1))和更高的线性度(R~2=0.997)。由于粗糙表面容易形变，该传感器的最小检测限为2 kPa,立体网格结构也使该传感器具有快速响应特性(60 ms)以及在频率4 Hz压力加载下稳定的信号响应。结合差动式结构与所研制的柔性压力传感器，开发了一种具有夹持及旋拧感知功能的机器人柔性触觉末端，并将其应用于单模ST尾纤与旋钮开关两类旋拧作业。应用结果表明该柔性触觉末端可以有效区分旋拧过程中相对滑动、正常旋拧以及卡壳三种常见状态，有效提升电力巡检机器人作业的安全性及成功率。

  2024年10期 v.61;No.569 114-121页 [查看摘要][在线阅读][下载 2030K]
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• 基于混合式摩擦电-电磁纳米发电机的桥梁自供能监测系统

  许子彦;温作相;高浚桓;

  随着桥梁服役年限和桥梁负载的不断增加，对桥梁进行实时健康监测和环境监测变得尤为重要。传统的监测传感器通常依赖化学电池供电，然而化学电池寿命短，需要定期检查更换，且在检修时容易导致监测系统的小面积瘫痪。提出了一种基于摩擦纳米发电机(TENG)和电磁发电机(EMG)的混合式摩擦电-电磁纳米发电机(TE-EMNG)。该装置旨在代替化学电池而作为桥梁自供能监测系统的电源。基于摩擦起电和静电感应的TENG具有高电压小电流的输出特性，而基于电磁感应的EMG具有大电流低电压的输出特性，二者的结合使得发电设备具有更高效输出。在8 r/min转速下，TENG单元和三相EMG单元的最大峰值功率分别为0.34和6 mW,可以为蓝牙加速度计供电。该研究展示了一种有效的风能收集器，为桥梁自供能监测系统提供了一种创新的策略，拓宽了未来能源收集的思路。

  2024年10期 v.61;No.569 122-130页 [查看摘要][在线阅读][下载 2178K]
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• PEDOT: PSS/MXene复合电极基界面电容式应力传感器

  李佰骏;时吉进;吴家威;何鑫;

  针对复杂的制备方法，以及传统电容式压力传感器容量和灵敏度较低导致难以抵御温度、湿度、弯曲等因素带来的干扰，采用层状MXene和聚(3,4-乙二氧基噻吩)∶聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT∶PSS)制备具有褶皱结构的复合电极。通过与1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐(EMIM-TFSA)离子液体介电层的结合，构建了电容式应力传感器。导电材料PEDOT∶PSS与MXene质量比为1∶1时，分别在0～50 kPa和50～200 kPa压力效应区间内实现了高达603和91.66 kPa~(-1)的线性灵敏度，具有快速的响应时间(仅需33 ms)以及优异的循环稳定性(至少4 000次)。此外，该传感器在人体脉搏监测方面展现出实时、准确的特点，为可穿戴设备领域提供了新的发展思路。

  2024年10期 v.61;No.569 131-139页 [查看摘要][在线阅读][下载 1611K]
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加工、测量与设备

• 基于MEMS技术的离子门设计与制备

  任家纬;贾建;高晓光;何秀丽;

  为了提高小型离子迁移谱仪分辨率，基于微电子机械系统(MEMS)技术设计并制备了Bradbury-Nielsen(BN)离子门。首先简要介绍离子迁移谱仪原理及结构，其次通过SIMION软件对漂移管进行建模，利用统计扩散模拟(SDS)多物理场的仿真程序模拟离子团在漂移管中的运动情况。根据理论分析和有限元数值仿真研究了BN离子门电极丝参数对离子迁移谱仪性能的影响，并确定参数的优化值为：电极丝间距200μm、直径20μm。最后根据工艺条件设计了适用于小型离子迁移谱仪的MEMS离子门，并绘制了相应的掩模版图形。在此基础上详细阐述了采用剥离工艺和深反应离子刻蚀(DRIE)工艺基于4英寸(1英寸=2.54 cm)绝缘体上硅(SOI)晶片制备MEMS离子门器件的方法，对比了样品电极丝参数的设计值和测量值，并验证器件的平整度。

  2024年10期 v.61;No.569 140-146页 [查看摘要][在线阅读][下载 1929K]
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• 采用电解预刻蚀实现高界面结合强度的镍/钢微流控芯片模芯

  杜立群;王帅;郭柄江;王忠民;

  采用微电铸工艺制作微流控芯片金属模芯的过程中，金属基底与沉积层之间的界面结合强度制约着金属模芯的成品率、制作周期、制作成本以及使用寿命。以NAK80模具钢基底和镍铸层的结合界面为研究对象，采用电解预刻蚀的方法提高界面结合强度。首先，为探究界面结合强度的影响因素，开展数值仿真研究。仿真结果表明，界面结合强度随表面粗糙度和刻蚀深度的增加均呈现增大的规律。为优选电解预刻蚀的工艺参数，开展刻蚀实验研究。实验结果表明，当电压为0～20 V时，基底表面粗糙度随刻蚀电压的增加先增大后减小，优选电压为11.15 V;当刻蚀电压一定时，刻蚀深度随刻蚀时间的增加而增加。为保证电沉积后铸层无缺陷，缩短电铸和后处理时间，针对60μm宽度的流道式芯片模芯，将刻蚀深度优选为30μm,以此获得优选的刻蚀时间为53 s。基于以上仿真和实验结果，制作出了铸层厚度为40μm、整体尺寸为65 mm×65 mm的微流控芯片金属模芯。采用拉伸法测得界面结合强度为178.46 MPa,相比于无刻蚀方法，电解预刻蚀后的界面结合强度提高了518.6%。

  2024年10期 v.61;No.569 147-158页 [查看摘要][在线阅读][下载 3516K]
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• 基于微流控的痕量重金属离子电化学检测系统

  刘欣星;郑梦悦;杨胜;孙川婷;李佳蕊;崔建国;

  随着工业生产的不断发展，环境中有毒污染物逐渐增多，其中重金属离子污染对人体造成不可逆损伤的危险也日益增长，所以对重金属离子进行准确快速检测变得尤为重要。基于电化学检测原理研制了常见痕量重金属离子的微流控检测装置。将纸基微流控芯片与电化学技术相结合，采用石墨烯作为三电极材料，利用3D布局以及叉指状结构增强检测效果。实验结果表明，该检测系统能够对铅离子、汞离子、镉离子、铜离子单一离子以及混合离子溶液进行定性定量检测，其中离子浓度在10～100μg/L内呈现良好的线性度。镉离子、铅离子、铜离子以及汞离子的检测限分为0.34、1.40、4.39和5.16μg/L,并可在约8 min内完成全部检测。该检测系统具有低成本、快速、操作简单等优点。

  2024年10期 v.61;No.569 159-165页 [查看摘要][在线阅读][下载 1391K]
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• 液相剥离法制备MoTe₂纳米片及其对三乙胺的气敏性能

  李曦;黄宝玉;李新雷;王楠;李晓干;

  二碲化钼(MoTe_2)材料呈现层状结构，不利于气体的吸附。为了提高MoTe_2基传感器的气敏性能，采用液相剥离的方法制备了二维MoTe_2纳米片。扫描电子显微镜(SEM)、N_2吸脱附分析仪以及Raman光谱仪的表征结果证明，相比于原始的MoTe_2材料，液相剥离的MoTe_2纳米片具有疏松的层状结构，液相剥离材料的比表面积(2.064 8 m~2/g)比原始材料(0.357 8 m~2/g)扩大约6倍，为气体分子的吸附提供了充足的活性位点。并且，经过液相剥离操作之后的材料对三乙胺气体的响应值以及选择性显著增高，MoTe_2基传感器在室温下对体积分数10 ppm(1 ppm=1×10~(-6))三乙胺气体的响应值由26.02%提升至39%。结果表明，液相剥离的二维MoTe_2纳米片对于三乙胺气体的检测具有很大的应用潜力。

  2024年10期 v.61;No.569 166-175页 [查看摘要][在线阅读][下载 1968K]
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• 热老化对不同封装形式SOI基压阻式芯片的影响

  李培仪;刘东;雷程;梁庭;党伟刚;罗后明;

  采用热老化的手段提高封装后芯片的输出稳定性及使用寿命，并对热老化温度与老化时间的匹配问题进行了研究。首先介绍了压阻传感器的老化机理，然后在不同温度下对同批次不同封装形式绝缘体上硅(SOI)基压阻芯片进行老化，并对芯片老化前后数据进行对比。结果表明，300℃加电老化情况下，芯片稳定输出的时间为12 h,且老化后芯片的各项指标均有改善。在温度允许范围内，适当的老化温度可以使芯片达到稳定输出状态，提升工作效率的同时为优化SOI基压阻芯片的老化时间提供了参考。

  2024年10期 v.61;No.569 176-182页 [查看摘要][在线阅读][下载 1251K]
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• 基于同轴聚焦微流控拓扑构造的双乳液滴生成机制数值模拟

  朱晓武;罗永皓;张伟业;刘文文;

  采用流体体积(VOF)相界面追踪技术建立了同轴聚焦微通道内双乳液滴生成过程的数值计算模型。当内相、中间相和外相流体流速分别为0.01、0.011、0.04 m/s时，该模型能够稳定形成单分散性较好、直径为500μm的双乳液滴。形成的双乳液滴适合药物领域的应用。在此基础上，分析了聚焦孔半径、聚焦孔颈长与聚焦孔颈角对三相流体的液滴驱动方式的影响，并讨论了微流道拓扑结构变化与双乳液滴生成机制及特性的内在联系与机理。结果表明，聚焦孔半径影响了Marangoni效应对内液滴局部扰动的程度，在改变生成液滴截面尺寸的同时，也使液滴生成频率发生相应的变化。聚焦孔颈长的改变决定了内外相流体的流型，限制了液膜断裂与脱离过程，从而对液滴生成方式产生根本性影响。聚焦孔颈角的变化影响了鞘液对外界面的剪切作用，通常情况下较大的角度使得局部流体阻力得以缓慢的释放，有利于生成液滴界面的稳定性。

  2024年10期 v.61;No.569 183-194页 [查看摘要][在线阅读][下载 2541K]
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