【摘 要】
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均一颗粒的制备在电子封装、微喷射3D打印、喷墨打印数值二维图像、微流控芯片技术、新型药品研究和开发以及生物化学检测等领域备受重视。因此,开展均一颗粒制备技术的基础研究具有重要的理论意义和工程实际价值。本文提出了一种压差调控+电磁驱动(扰动)制备均一金属颗粒的新方法,其特色是通过对驱动腔内液态金属直接施以体积电磁力以实现金属均一颗粒的按需可控和射流扰动制备,并研制了一套相应的均一颗粒的试验装置,其构
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目(低银无铅焊膏制备及板级封装部件跌落与振动焊点可靠性研究,51275006); 国家自然科学基金重大研究计划(深空探测卫星准直器的超精密激光焊接制造技术及装备,2017YFB1104803);
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均一颗粒的制备在电子封装、微喷射3D打印、喷墨打印数值二维图像、微流控芯片技术、新型药品研究和开发以及生物化学检测等领域备受重视。因此,开展均一颗粒制备技术的基础研究具有重要的理论意义和工程实际价值。本文提出了一种压差调控+电磁驱动(扰动)制备均一金属颗粒的新方法,其特色是通过对驱动腔内液态金属直接施以体积电磁力以实现金属均一颗粒的按需可控和射流扰动制备,并研制了一套相应的均一颗粒的试验装置,其构成主要包括:脉冲电磁力发生系统、压差调控气体保护系统、加热熔化和温度控制系统、成球和颗粒收集装置和高速摄影系统。并基于MATLAB软件,编译了颗粒球形度的检测系统。为了验证本研究所提出的压差调控+电磁驱动(扰动)技术制备均一金属颗粒的可行性,以常温下为液态的Ga0.75In0.25合金作为微滴制备材料,研究输入电流频率和自由液面气压对均一微滴形成过程的影响。研究表明:压差调控+电磁按需驱动技术可在低频条件下实现Ga0.75In0.25合金微滴的“一脉一滴”制备;压差调控+电磁射流扰动技术可在高频条件下实现Ga0.75In0.25合金微滴的“一脉一滴”制备。提出了压差调控+电磁按需驱动技术制备Sn-58Bi金属颗粒的新方法,实现了小磁场和小电流条件下按需可控制备均一液态金属颗粒,研究了喷嘴孔径、电流输入波形、电流频率、压差和电流幅值对均一液态金属颗粒形成过程的影响,通过成球装置制备出了相应的Sn-58Bi金属颗粒。研究表明:利用压差调控+电磁按需驱动技术可控制金属颗粒“一脉两滴”和“一脉一滴”的按需可控制备;通过控制喷嘴出口处的压差可实现对微液柱长度和颗粒大小的控制;通过控制输入电流波形可实现对微液柱端头断裂成滴时间的控制。当喷嘴孔径为0.41mm和相应的试验参数下,通过成球系统制备出球形度在0-3%之间,直径在0.6-0.65mm之间分布的金属颗粒。提出了压差调控+电磁射流扰动技术制备Sn-58Bi金属颗粒的新方法,解决了压差调控+电磁按需驱动技术制备金属颗粒效率低的问题,该技术可在高频条件下制备Sn-58Bi金属颗粒,研究了喷嘴孔径、电流输入波形、电流频率、压差和电流幅值对射流扰动制备均一金属颗粒的影响,通过成球装置制备出了相应的Sn-58Bi金属颗粒。研究表明:在喷嘴孔径分别为0.21mm、0.30mm和0.41mm和相应的试验参数下,可制备出无卫星液滴的均一液态金属颗粒,在随后的成球装置中可制备均一性较好的金属颗粒。在喷嘴孔径为0.41mm和相应的试验参数下,通过电磁射流扰动技术可制备出直径在0.68-0.74mm和球形度在0-6%之间变化的金属颗粒,其平均直径的最大正负误差为±4.2%。在喷嘴孔径为0.21mm和相应的试验参数下,可制备出直径在0.32-0.37mm和球形度在0-3%之间变化的金属颗粒,其平均直径的最大正负误差为±7.2%,其最大正负误差为±5%的金属颗粒占比为90%,其生产效率为648万粒/小时。提出了压差调控+电磁膜片技术射流扰动制备均一水滴的新方法,解决了压差调控+电磁驱动(扰动)技术只适用于驱动液态金属导体的局限,研究了喷嘴孔径、压差、扰动频率、射流液柱端头扰动和表面波波长对射流液柱端头断裂成滴行为的影响。研究表明:在喷嘴孔径和自由液面气压不变的条件下,可通过调节扰动频率可实现对主液滴和卫星液滴的形成过程的控制;在均一微滴形成区间,随着扰动频率的增加,射流液柱顶部波动范围减小,微滴的直径减小;在喷嘴孔径为0.15mm和相应的试验参数下,当扰动频率由2000Hz增加到2600Hz时,射流液柱端头可断裂形成均一水滴,且水滴的直径由0.27mm减小到0.23mm。
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