基于碳纳米螺旋的微气泡发生器的制备及性能研究

论文摘要

碳纳米螺旋因其独特的三维结构和材料性能可用于电热传感器、电磁传感器、微机械弹簧、谐振器、电磁波吸收器以及电磁纳米转化器等。本文基于碳纳米螺旋研究了一种新型微气泡发生器,该微气泡发生器具有功耗低、制备工艺简单和易于集成等优点,在气泡热喷印、微流体可视化和微驱动等领域中具有广泛的应用前景。本文首先对碳纳米螺旋微气泡发生器的电热性能进行了有限元分析模拟,通过对其电热性能的静态仿真和动态仿真,得到了碳纳米螺旋微气泡发生器达到气泡成核温度时的最小输入电压、最小输入功率以及气泡产生的时间等主要性能参数,为碳纳米螺旋微气泡发生器的实验研究提供了理论参考。接着研究了碳纳米螺旋微气泡发生器的MEMS制备工艺,利用光刻、磁控溅射和剥离等工艺制备了微气泡发生器的电极,通过介电电泳技术将碳纳米螺旋装配于电极间,并在电极与碳纳米螺旋的接触处覆盖一层二氧化硅,利用真空退火和电流自加热退火技术降低碳纳米螺旋与电极的接触电阻从而优化微气泡发生器。对研制的碳纳米螺旋微气泡发生器在大气环境中的电特性包括直流电阻特性、交流电阻特性和温阻特性进行了研究。最后重点对碳纳米螺旋微气泡发生器进行了气泡产生的实验研究,得到了气泡生长尺寸、微气泡发生器的电阻、电压和功耗与气泡产生时间的关系,并对碳纳米螺旋微气泡发生器与碳纳米管微气泡发生器的性能进行了对比。实验研究结果表明基于碳纳米螺旋的微气泡发生器比基于碳纳米管的微气泡发生器的功耗低一个数量级,比基于金属的微气泡加热器的功耗要低二到三个数量级。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 微气泡发生器的发展现状
• 1.2 基于碳纳米螺旋的微气泡发生器
• 1.3 本文的研究内容
• 2 碳纳米螺旋微气泡发生器电热性能的有限元分析
• 2.1 碳纳米螺旋微气泡发生器的有限元模型
• 2.2 碳纳米螺旋微气泡发生器的静态仿真和功耗分析
• 2.3 碳纳米螺旋微气泡发生器的动态仿真
• 2.4 本章小结
• 3 碳纳米螺旋微气泡发生器的制备
• 3.1 碳纳米螺旋微气泡发生器的制备
• 3.2 碳纳米螺旋微气泡发生器接触电阻的改善
• 3.3 本章小结
• 4 碳纳米螺旋微气泡发生器的电特性
• 4.1 碳纳米螺旋微气泡发生器的直流电特性
• 4.2 碳纳米螺旋微气泡发生器的交流电特性
• 4.3 碳纳米螺旋微气泡发生器的温阻特性
• 4.4 本章小结
• 5 碳纳米螺旋微气泡发生器的气泡发生实验研究
• 5.1 碳纳米螺旋微气泡发生器的实验平台
• 5.2 碳纳米螺旋微气泡发生器的性能研究
• 5.3 与碳纳米管微气泡发生器性能的对比
• 5.4 本章小结
• 6 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间发表的论文