低温磨料气射流加工装置的研制与实验验证

针对磨料气射流加工技术在常温下无法加工聚二甲基硅氧(Polydimethylsiloxane,PDMS)等聚合物材料的问题,提出了低温磨料气射流加工PDMS等聚合物材料的设想。设计了一套低温磨料气射流加工装置,通过改变浸没在液氮中的蛇形管长度,可以得到不同温度的低温磨料气射流。建立了蛇形管长度计算的数学模型,通过实验验证了该模型的可行性,为以后对低温磨料气射流加工进行更深入的研究奠定了基础。用不同温度的磨料气射流加工PDMS,发现常温下磨料气射流无法加工PDMS,而低温下可以进行加工。低温下加工PDMS可以提高孔的横截面质量,材料去除机理为塑性去除和脆性去除的结合。     

低温微磨料气射流加工微流道专用机床

针对目前低温微磨料气射流加工用简易实验装置中存在的问题,研制了低温微磨料气射流加工微流道专用机床。该机床主要由微磨料气射流发生部分、冷却部分、加工部分、磨料回收部分及其控制系统部分组成。首先对机床进行整体设计,保证其具有合理的布局和稳定的结构;其次针对机床的核心部件冷却器进行总体设计、理论计算与仿真分析,并开展测温实验验证设计的合理性,使用PLC控制器和液氮液位监测仪实现冷却器的自动控温;最后设计了四维移动平台,并通过人机交互界面对其进行编程控制。验证实验表明,该机床在低温下可实现对聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)材料的有效冲蚀去除,且加工效果明显好于常温下的加工效果,能够满足微流控芯片的多元化应用需求。     

低温磨料气射流加工PDMS实验研究

通过自研的低温磨料气射流加工装置进行低温磨料气射流加工聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)实验研究,分析了加工时间、加工距离、冲蚀角度和磨料粒径对冲蚀率、孔深和孔横截面形貌的影响。结果表明:随着加工时间的增加,冲蚀率先增大后减小,在第1阶段加工过程中,孔深与加工时间大致呈线性关系,增加加工时间还可使孔底部变平整;存在一个最佳加工距离使孔深最大,当加工距离大于最大加工距离时,孔深将随着加工距离的增加而急剧下降,孔的锥度随着加工距离的增大而增大;当冲蚀角度处于30°～60°之间时,冲蚀率最大,随着冲蚀角度的增加,孔的形状逐步由椭圆形变成圆形;存在一个最佳磨料粒径,使冲蚀率和孔深达到最大;当冲蚀角度小于90°时,低温磨料气射流加工PDMS材料去除机理为塑性去除和脆性去除的结合。     

无移动部件微泵的设计、制造及基于微PIV技术的流动测量

基于简化微泵加工难度、延长寿命及特殊管道流体特性原理,设计了一种无移动部件微泵。通过数值计算对设计微泵进行优化。用特殊材料PDMS及微机械加工工艺制造出微泵。用微PIV粒子成像技术测量了微泵流场特性及流量。可实现在工作频率．600～2000Hz下,微泵流量为0．01～0．1μL／s。     

准二维水下超声速垂直过膨胀射流研究

阐述了水下超声速气体垂直过膨胀射流的准二维实验研究和射流的数值计算结果.利用高速摄影仪在1000帧/s的拍摄速度下实时记录了过膨胀工况下水下垂直射流的喷射状态,清晰显示了水下气体垂直射流的演化过程;并利用专业软件FLUENT,对实验Laval喷嘴内外纯气相流场进行了数值计算,发现喷口附近存在复杂激波区,辅助分析了水下高速气体垂直射流的动态不稳定性形貌.实验与计算表明:在保持较小射流流量和保障较大马赫数的条件下,水下超声速垂直射流在水环境中引发的回击频率会得到减弱;准回击现象的发现证实了这一结论.这对于工程应用中的风口材料的"空蚀效应"的减弱提供了理论依据.     

PDMS在使用软光刻技术制作微透镜阵列的转印效果分析

以微透镜阵列为例,分析了在软光刻技术中使用PDMS复制微结构的有效性。首先介绍了制作光刻胶微透镜阵列,使用软光刻技术通过两次转印制作PDMS凹微透镜阵列和凸SU-8微透镜阵列工艺流程;接着叙述了使用金相显微镜和白光干涉轮廓仪对微透镜阵列样品的表面轮廓进行测量的结果,并对样品不同尺寸、不同材料的微透镜阵列样品的测量值以及这些测量值与设计值之间差异进行了分析。分析结果表明,使用PDMS转印光刻胶上的微结构以及将PDMS薄膜作为模板把微结构转印到SU-8表面均是可行的、有效的。     

磨料水射流去除等离子喷涂法热障涂层的试验研究

热障涂层技术在航空发动机中具有延长热端部件使用寿命、提高功率和减少燃油消耗的优点。对热障涂层金属构件进行电火花小孔加工时，需要先去除金属基体表面的热障涂层。针对等离子喷涂法（Air plasma spray， APS）制备的热障涂层进行了磨料水射流去除加工试验。采用直径为300 μm的低压磨料水射流，在室温下开展APS涂层的盲孔加工试验，以期为后续的电火花穿孔加工提供可能性。结果表明，冲蚀孔径和孔深随磨料浓度、射流压力、冲孔时间和靶距的增加而增大，涂层去除速率随磨粒硬度和粒径的增加而提高，APS涂层的冲蚀效率明显高于EB-PVD涂层。     

屏蔽罩和微射流对超声速冲击射流的降噪研究

利用实验手段研究了超声速冲击射流在屏蔽罩或微射流控制下的流场和声学特性.远场噪声测量结果表明,对于超声速射流利用微射流或者屏蔽罩方法,不仅可以明显地消除冲击单音,而且还可以降低宽频噪声.为了理解这两种降噪控制方法的物理机理,利用粒子图像测速技术(PIV)检测了有无控制方法时的流场情况.PIV结果显示,对于超声速冲击射流当有屏蔽罩或微射流时,流场中的大尺度结构明显地减少了.说明这两种方法都能削弱超声速流场中反馈环的形成,因而降低了超声速冲击射流的不稳定性.     

固结磨料研磨蓝宝石单晶的材料去除特性分析

研磨加工的材料去除速率受到磨料、研磨液、工件材料等诸多因素的影响。本文采用分量处理法把影响材料去除速率的因素逐项分解,开展固结磨料研磨蓝宝石的实验研究,分析机械、化学及其耦合作用对材料去除速率的影响。结果表明:研磨液作用下的机械化学耦合能够有效提高材料去除速率,耦合作用对材料去除速率的贡献率可达34.18%。固结垫基体在接触摩擦力的作用下,可以实现材料的去除,但其对材料去除速率的贡献率约为5%。     

表面微纳结构对气-水界面稳定性和流动减阻的影响

利用压力-流量测量和流动显示方法研究了6种具有不同微纳结构尺寸的超疏水表面的减阻效果以及表面微结构形状对气-水界面稳定性的影响。实验结果表明:设计的各种超疏水表面在层流和湍流下均具有一定的减阻效果；在相同的固体面积分数情况下，微结构间距越小，减阻效果越好；在具有最小结构间距的微纳二级结构表面上实现了最大减阻率（38.6±4.5）%。流动显示观测发现:减阻率与微结构的层级、尺寸、形貌及槽道流态有关，它们均对气-水界面稳定性有一定的影响，揭示了复合微纳结构之所以能够显著提升减阻效果，是由于添加纳米二级结构减小了原有表面的固体面积分数，并提高了气-水界面的稳定性。此外，对于具有双内凹（伞状）微结构表面的微槽道，即使表面为亲水材料，也可以有效捕捉气体，形成稳定的气-水界面，从而实现超疏水性能。