高通量单分散纳升 /皮升液滴的制备在数字 PCR、质谱分析、细胞筛选等生物医学领域至关重要, 而现有的技术制备速率只能达到 1 000/s。本文提出了一种离心力与微喷嘴阵列相结合的微流控芯片, 实现了超高通量液滴的制备。首先, 对离心液滴微流控芯片进行设计, 通过有限元仿真详细分析了微喷嘴尺寸、离心加速度和流量等参数对液滴尺寸的影响, 获得了纳升级液滴芯片的设计参数, 使用微纳加工方法制作离心式液滴生成芯片, 并进行了液滴的高通量生成实验。实验与仿真结果表明: 液滴尺寸与离心加速度成反向关系, 与微喷嘴尺寸成正向关系, 并在很大的流量范围内液滴尺寸基本不变, 表现出优异的鲁棒性。本液滴生成芯片在离心加速度 250g~500g下, 可制备液滴直径为 105~145 μm, 制备速率达 27 000个/s, 且直径一致性良好( CV<3%), 证明本液滴生成芯片具有超高通量的特点。

针对激光熔覆或3D微打印等金属零件先进制造技术对稳定微量输送金属粉体的要求, 分析了微米尺度金属粉体脉冲输送机理。为提高金属粉体脉冲输送分辨率和输送稳定性, 设计了余弦修圆波形、正弦修圆波形和正弦余弦组合修圆波形作为压电致动器的驱动电压波形。对平均粒径为100 μm的均匀球形TC4钛合金粉体进行了脉冲微输送实验。实验结果表明: 余弦修圆波形使粉体做“前进”运动, 正弦修圆波形使粉体做“后退”运动; 分散态粉体单颗稳定输送达粉体总量的90%, 密集态粉体脉冲微输送过程中密实度可控, 粉体微输送过程稳定, 无结拱现象发生。本文的研究结果也可为其它微米尺度材料或其他形状粉体的脉冲微输送提供参考。

为提高液滴微喷射的喷射效率和粉体微喷射的喷射方向性, 选用普通硼硅酸盐毛细管和石英玻璃管为原材料, 基于稳定的拉制和锻制工艺, 设计并制作了直列式组合微喷嘴和同轴式组合微喷嘴。在基于微流体数字化的微喷射实验平台上, 利用4×2直列式组合微喷嘴单次喷射得到了形状规则、圆整, 大小均匀, 无卫星液滴的液滴阵列, 液滴平均直径为180 μm; 相对于单微喷嘴, 直列式组合微喷嘴提高了单次微喷射的效率。另外, 进行了粉体微喷射实验, 相对于单微喷嘴, 同轴式组合微喷嘴在相同驱动条件下, 出射角由33°减小至10°, 成形粉线的宽度由450 μm降低至300 μm。结果表明, 同轴式组合微喷嘴中的辅助喷嘴有效地约束了主喷嘴出射的粉体流动, 粉体喷射的方向性有显著提高。

为解决玻璃微管道拉制工艺制作的单孔微喷嘴存在容易脆断,微管道长度不易控制,微喷射效率低等问题,提出了一种新的微喷嘴制作工艺。该工艺延续了微喷嘴拉制工艺中非IC工艺和低成本的制作特点,仍以低流阻的圆截面为喷口形状,通过材料流变运动和冷却时收缩率不同,将多根微管道紧密嵌入到塑料管中;通过毛细腐蚀作用,制作出变内径的锥形管,并实现微喷管长度的控制。制作了内径50μm的4孔微喷嘴和10孔微喷嘴,锥管长为750μm,微喷管长2.5mm。使用制作的微喷嘴在微流体数字化驱动平台上进行了水性液体在油相和气相中的微喷射实验,制备了80μm的微滴和微滴阵列。实验表明,该工艺制作的直列微喷嘴可以在微流体数字化驱动下实现较好的数字化微喷射效果。