压电驱动式脉动微混合生成金纳米粒子的研究

论文摘要

压电驱动式脉动微混合作为一种新型流体微混合方式，在国内属于首创研究，其不仅具有重要的学术研究意义，而且在医学、生物、化学等领域具有重要的应用价值。本文提出的压电驱动脉动微混合系统是压电微泵一个新的应用基础研究，通过对压电微泵驱动电压和频率及混合模式的控制，使柠檬酸钠和氯金酸溶液在Y型微混合器中实现紊流混合，提高了化学反应速率及反应质量，从而实现了金纳米粒子的可控合成。通过对单腔体和双腔体串联压电微泵理论输出性能的对比，选择了功能体积比更高的双腔体串联压电微泵作为脉动微混合的驱动源，实现高性能流体脉动输出。基于压电微泵设计理论，采用迭片技术，设计、制作出高性能双腔体串联压电微泵，并对此微泵进行了相关性能实验测试。实验结果表明，双腔体串联泵在50V电压200Hz频率条件下流量达到4.2ml/min，压力达到34kPa。基于脉动微混合需要，设计出一种Y型微混合器。利用微混合理论，对微流体在不同输入条件、不同流道尺寸条件下Y型微混合流道中的混合状态进行了Fluent仿真分析。仿真结果表明，当流道截面尺寸为0.4mm×0.4mm，入口流道夹角为60o，两脉动流体输入的相位差为180o，流量幅值为4ml/min，脉动频率为300Hz时，混合度σ约为0.97；当流道截面尺寸为0.4mm×0.4mm，两入口流道夹角为60o，两脉动流体输入的相位差为180o，脉动频率为200Hz，流量幅值为3ml/min时，混合度σ约为0.96。基于以上仿真结果，设计出适合于压电驱动式脉动微混合的Y型微混合器，采用PDMS材料，利用翻模技术制作出微混合器；对微混合器进行了替代溶液实验，并利用高速摄像机采集到流道中脉动混合图像，验证压电驱动式脉动混合模式能提高混合效率与混合质量。采用压电驱动式微混合器进行了金纳米粒子可控合成的实验研究。通过调节压电泵的驱动电压、频率及信号相位差，合成了不同形貌、不同粒径及不同分散性的金纳米粒子。实验结果表明，当电压为50V，频率为200Hz，异相混合（脉动混合）时，混合效果较好，所生成金纳米粒子较多，粒径均一，分散性较好；对反应溶液中加PVP与不加PVP生成的金纳米粒子进行了研究，发现不加PVP时，粒子团聚严重，加入PVP后，粒子粒径减小，单分散性显著提高；分析不同反应试剂浓度下生成金纳米粒子的实验结果得出，柠檬酸钠浓度为0.5mM时较浓度为1.5mM和6.0mM时生成金纳米粒子的粒径分布、形貌、单分散性好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 压电微泵的概述
• 1.2.1 压电微泵的分类及特点
• 1.2.2 压电微泵的国内外研发现状
• 1.3 微混合器的概述
• 1.3.1 微混合器的分类与特点
• 1.3.2 微混合器的国内外研发现状
• 1.4 微混合生成金纳米粒子的概述
• 1.4.1 金纳米粒子的概述
• 1.4.2 微混合生成金纳米粒子的国内外研发现状
• 1.5 本文的研究意义和主要研究内容
• 第二章 压电微泵和微混合的基础理论及研究
• 2.1 压电微泵的相关理论研究
• 2.1.1 压电效应
• 2.1.2 压电振子的概述
• 2.1.3 压电振子的建模仿真分析
• 2.1.4 压电振子振动和压电微泵输出性能的关系
• 2.1.5 几种典型压电微泵原理与工作特性
• 2.2 微混合的相关理论研究
• 2.2.1 脉动微混合机理
• 2.2.2 微混合机理的基本方程
• 2.2.3 脉动微混合初始条件和边界条件
• 2.2.4 微混合其它相关理论
• 2.3 本章小结
• 第三章 Y 型微混合流道的流体仿真分析
• 3.1 微流道仿真模型的建立
• 3.1.1 微混合流道仿真模型几何结构的建模
• 3.1.2 流体仿真模型的网格划分
• 3.2 微混合仿真参数的设定
• 3.3 微混合混合效果的评定
• 3.4 脉动微混合的仿真研究
• 3.4.1 脉动速度边界条件的编程
• 3.4.2 流道的不同截面尺寸对混合效果影响分析
• 3.4.3 入口流道夹角对混合效果的影响分析
• 3.4.4 压电微泵流量对微混合效果的影响分析
• 3.4.5 脉动频率对微混合效果的影响分析
• 3.4.6 恒定速度入口的混合过程仿真研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 压电驱动式微混合器的设计、制作及实验测试
• 4.1 压电振子相关实验测试
• 4.1.1 压电振子实验测试方案
• 4.1.2 电压与压电振子变形量关系实验测试
• 4.1.3 频率与压电振子变形量关系实验测试
• 4.1.4 压电振子变形量与流量关系实验测试
• 4.2 压电微泵的结构设计及制作
• 4.2.1 压电微泵的结构设计
• 4.2.2 压电微泵各部件的选材
• 4.2.3 压电微泵制作工艺过程
• 4.3 压电微泵工作特性的实验研究
• 4.3.1 压电微泵的实验测试方案
• 4.3.2 压电微泵的输出压力、流量电压特性
• 4.3.3 压电微泵的输出压力、流量频率特性
• 4.4 微混合器设计及制作
• 4.4.1 微混合器的制作选材
• 4.4.2 微混合器的制作工艺
• 4.5 微混合系统的工作性能测试
• 4.6 本章小结
• 第五章 压电驱动式微混合生成金纳米粒子的实验研究
• 5.1 柠檬酸钠和氯金酸生成金纳米粒子的化学反应原理
• 5.2 脉动式微混合可控制备金纳米粒子实验研究
• 5.2.1 实验原料与试剂
• 5.2.2 实验设备
• 5.2.3 实验步骤简述
• 5.2.4 氯金酸中不含 PVP 时的实验结果讨论
• 5.2.5 氯金酸中含 PVP 时的实验结果讨论
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者简介
• 致谢