介电弹性体双腔无阀微泵数值仿真分析

介电弹性体是具有大变形的智能材料,利用其特殊性能研制了介电弹性体双腔三振子无阀微泵,并用FLUENT软件进行三维仿真,得到了不同进口速度条件下的压力分布图、密度分布图、速度矢量图以及速度迹线图。由上述各图可得出以下结论:速度较大的流体对微泵产生的压力越大;微泵内流体的密度与速度大小无直接关系;流道的横截面积越小,速度越大;速度对迹线的影响不大。     

基于硅各向异性腐蚀的平面沟道无阀微泵研究

依据扩散口/喷嘴理论,设计了不同几何尺寸无阀微泵的扩散口/喷嘴光刻掩模版图,采用硅平面工艺、各向异性腐蚀及削角补偿等技术,制作出了多种无阀微泵.对无阀微泵泵压及流量进行了实验研究,结果表明泵压与流量均呈现反比关系;扩散口/喷嘴的张角为8°时微泵效率最高;扩散口/喷嘴长度为2500μm、扩散口/喷嘴的窄口宽度为150μm、腐蚀深度为150μm时,无阀微泵的最大泵压和流量分别为14.9kPa和558μL/min.     

基于MEMS的压电微泵建模与优化

以压电驱动的无阀微泵为研究对象,根据扩张管/收缩管的压力损失系数和连续方程,建立了无阀微泵的理论模型。利用有限元分析软件,建立了无阀微泵有限元模型,进行了耦合场仿真分析。模拟并分析了不同边界条件下驱动电压、电压频率、泵膜厚度、压电薄膜厚度和压电材料对无阀微泵输出特性的影响。仿真结果显示,无阀微泵具有很好的整流特性,并且驱动电压越大,输出特性越好。在局部固定边界条件下,当压电薄膜上施加电场强度为500 V/mm的驱动电压时,存在最优的压电薄膜厚度,使得微泵的输出流量最大。研究结果为无阀微泵的优化设计提供了依据。     

3D打印的锥管坡面腔底无阀压电泵

为提高无阀压电泵的流量特性和解决泵加工工艺性差的问题,研制出了锥形流管坡面腔底无阀泵。首先,提出并设计了锥形流管坡面腔底无阀泵,分析了该泵的工作原理;然后,利用ansys软件对泵腔内流场做了模拟分析,分析结果表明该泵具有传输流体的能力;最后,利用3D打印技术制作了锥形流管坡面腔底无阀泵,并对泵的频率-流量特性进行了试验,驱动频率为8Hz时,锥形流管坡面腔底无阀泵的流量达到最大值26.8ml/min,比相同尺寸坡面腔底无阀压电泵在相同驱动电压条件下输出的最大流量增加了18.6%。试验结果表明,锥形流管坡面腔底无阀泵的流量特性优于坡面腔底无阀压电泵,且采用3D打印技术制作压电泵,提高了泵加工的工艺性,缩短了加工周期,降低了加工成本。     

介电弹性体材料研究现状综述

针对目前介电弹性体材料的相关研究进展及存在的问题,在分析介电弹性体特性的基础上,根据其不同种类,研究了硅橡胶、聚氨酯、丙烯酸等材料及复合材料的性质及制备方法;根据介电弹性体的不同用途,分析了近些年其在发电、仿生学、生物医学、光学器件、微系统、航天航空方面的具体应用及其未来发展趋势,并总结了介电弹性体在未来应用中存在薄膜制备、柔性电极材料覆盖绝缘、偏置高压电源限制、降低能量损耗和提高机电转换效率等相关问题,针对这些问题提出了相应的建议及未来发展思路。研究结果表明,介电弹性体具有很广阔的应用前景,但是目前还存在很多技术难点,在弹性体基体材料构成、柔性电极材料优化、自偏置发电、效率优化等方面还要进行更为深入的研究。     

NiTi/Si薄膜驱动微型无阀泵的系统研究

介绍了形状记忆合金 /硅 (Ni Ti/Si)复合膜驱动的微型无阀泵的结构及工作原理 ,采用 Matlab对微泵的压力 P和流量 Q进行了计算和仿真 ,并将仿真结果与实验结果进行了对比。通过分析驱动膜的驱动频率与泵的几何结构对微泵性能的影响 ,得到微泵的优化方案。     

多级“Y”型流管无阀压电泵的原理与试验验证(实验视频)

针对目前微流体混合器多需要外接动力源,且多数微混合器只能进行液体混合而不能输送液体的问题,提出将无阀压电泵引入微混合器领域,并研制了一种集混合与输送于一体的多级“Y”型流管无阀压电泵。首先,提出了多级“Y”型流管,进而设计了多级“Y”型流管无阀压电泵,并分析其工作原理;然后,对该无阀压电泵的流管流阻特性及泵流量进行理论分析;同时,利用有限元软件对多级“Y”型流管无阀压电泵进行了流场模拟,结果表明该压电泵具有单向传输作用。最后,制作了多级“Y”型流管无阀压电泵样机,并进行了泵流量与背压试验。试验结果显示：驱动电压峰峰值为100 V,频率为16 Hz时,流量达到最大,为16.2 ml/min;驱动电压峰峰值为100 V,频率为14 Hz时,输出背压最大,约为64 mm水柱。得到的试验数据证明了多级“Y”型流管无阀压电泵的有效性。(实验视频)     

一种仿生型无阀压电泵

针对传统的容积型流阻差式无阀压电泵具有吸入周期和排出周期,存在着流动脉动大、流量小的问题,提出一种新型的鱼鳍摆动式无阀压电泵。模仿在鱼类中巡游速度最快的金枪鱼的鱼体结构,设计了压电双晶片结构的压电振子,并将其尾鳍设计成柔性叶片状。分析了压电双晶片结构悬臂梁的受力变形、模态振型在机电转换效率方面的关系。研制了泵的样机并测量了激励电压在100 V时泵的流量。实验结果表明:振子工作在1阶振型时,泵水效应不明显;振子工作在2阶振型时,谐振频率为740 Hz,泵的流量为266 mL/min;振子工作在3阶振型时,谐振频率为1 280 Hz,泵的流量为105 mL/min。     

球壳形介电弹性体驱动器电致应变特性分析

介电弹性体是电场型电活性聚合物的一种,能够在外加电场的作用下,通过材料内部结构的改变发生伸缩、弯曲、束紧或膨胀等变形,人为控制电压的大小,精确控制变形.基于Neo-Hookean应变能模型,采用ABAQUS有限元软件,开展了材质为丙烯酸聚合物的球壳形介电弹性体驱动器在机电载荷作用下的力学性能有限元模拟,分别分析了无机械预拉伸和有机械预拉伸条件下电致应变特性,进行了球壳形介电弹性体驱动器机电耦合特性的有限元仿真分析,为球壳状介电弹性体驱动器的力电特性、变形失效、稳定性的进一步研究提供了一定的理论依据.     

新型压电无阀微泵效率分析及试验研究

提出了一种用于无阀压电微泵的新型效率模型,根据传统扩张/收缩管型结构设计出侧面带有环形面积新型锯齿型带锥度和无锥度两种微流道.用CFD软件对传统扩张/收缩型微流道及新型锯齿型微流道进行了三维流动模拟,绘制出几种微流道特性曲线,并用新型效率模型计算了三种微流道在两种限制条件(最大流量零压力头和最大压力头零流量)下的稳态效率,并进行了分析比较,结果表明由于结构改变,锯齿型微流道最大流量和压力损失实现了预期的变化,并且带锥度锯齿型微流道微泵稳态效率均大于标准扩张/收缩型微流道及无锥度锯齿型微流道微泵.最后制作出含有标准扩张/收缩及带锥度锯齿型微流道结构微泵,并对其进行试验,结果证明由于环形面积和锥度存在,带锥度锯齿形微流道微泵性能明显优于传统扩张/收缩型微泵.