基于脉冲微孔喷射法(POEM)制备微粒子的理论建模与数值模拟

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球形微米级粒子特指尺寸在纳米和毫米之间的球形粉末颗粒,目前在球形硅太阳能电池、硅锗半导体集成电路、电子封装领域、制备精密仪器乃至快速成型制造领域都具有广泛的应用前景。脉冲微孔喷射法(POEM)属于按需喷射,在压力差和压电陶瓷的共同作用下使微小液柱从小孔中喷出,在表面张力的作用下颈缩形成液滴。压电陶瓷往复运动,每向下运动一次产生一个液滴,每个液滴形成的条件完全相同,不受实验环境的影响,因此粒径分布窄、圆球度高、热履历和微观结构均趋于一致。本文基于自行研制的微米级均匀粒子制备设备—POEM,借助于流体动力学软件-Fluent,建立液滴形成和振动模型,探讨液滴颈缩和振动机理,研究液滴物性值和实验参数等对颈缩和振动的影响;此外,建立凝固-传热模型,分析Fe-Co基金属玻璃粒子形成的临界条件。通过研究,得到如下结论:POEM设备属于按需喷射,由向下运动的传动杆将微小液柱从小孔中喷出,在表面张力的作用下颈缩形成液滴;液体的物性值(例如液体与坩埚的润湿角、表面张力、粘度等)对液滴的颈缩行为具有重要影响;只有当液体与坩埚的润湿角大于等于90°时才能颈缩得到液滴;当表面张力较小时会产生附加的卫星滴,当表面张力特别大时由于不能提供表面能导致颈缩失败;粘度可以衡量流体的内摩擦力和机械能的损耗,随着粘度的增加颈缩时间会延迟,当粘度特别高时,由于能量消耗会导致颈缩失败;实验参数与液滴的颈缩行为也有密切关系;用不同孔径尺寸制备微粒子时,微孔尺寸越小,表面张力的作用越明显,因此需要适当增大差压,而随微孔尺寸增加时,为了获得稳定液滴需要增大传动杆的速度;颈缩后的液滴在下落过程中做阻尼振动,由最初的不规则椭球形逐渐振动为球形:材料本身的物性值(如表面张力、粘度等)对液滴的振动有很大影响:增大表面张力,振动频率加快,振动时间缩短;粘度增加,振动频率几乎不受影响,而振动时间显著降低;用POEM设备在纯He气氛和混合气氛(50%He+50%Ar)制备粒径均匀、圆球度高、具有不同粒径的[(Feo.5Co0.5)0.75B0.2Si0.05]96]Nb4金属玻璃粒子;随粒径增大,玻璃相含量降低,内部出现结晶相;随着距中心距离的增大,液滴温度逐渐降低,温度梯度也逐渐降低;粒子越小,平均温度梯度越大,邻近原子越难形成规则排列,容易形成玻璃相;用POEM法制备该成分的金属玻璃微粒子的临界冷却速率为2200-2400K/s,不随冷却气氛而改变。
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