面向材料芯片固相反应的微纳粉体脉冲输送中多种微尺度效应耦合机理

材料芯片并行合成制备技术能够快速发现-优化-筛选新材料。无机材料芯片固相反应的反应物为微纳米干粉体，故其理想的制备应为干粉体直接作业。现技术多用反应物溶液点样及混合后挥发掉溶剂再进行固相反应的间接作业，存在因反应物不同需寻找不同溶剂造成工作量大、甚至因溶解度过低溶液难配制等问题。本项目拟解决材料芯片固相反应的微纳米干粉体直接作业中"微纳粉体脉冲输送-喷射-混合系统参量对粉体脉冲流动微特性的影响规律""粉体脉冲流动中多种微尺度效应间耦合规律及其对粉体脉冲流动微特性的影响机理"两个关键科学问题，找出微纳粉体脉冲流动中固-流耦合、宏-微耦合规律及多种微尺度效应间的耦合规律、揭示这些耦合的机理；初步掌握微纳粉体脉冲输送-喷射-混合技术；为材料芯片粉体直接固相反应的高效制备探索新思路，并提供理论和技术依据。本项目研究结果可为其他类型流体（液、气、多相流等）的多种微尺度效应耦合规律及机理研究提供参考。

材料芯片并行合成制备技术能够快速发现-优化-筛选新材料。现技术多用反应物溶液点样及混合后挥发掉溶剂再进行固相反应的间接作业，存在因反应物不同需寻找不同溶剂造成工作量大、甚至因溶解度过低溶液难配制等问题。本项目以微流体脉冲驱动机理及微流体流动特性为基础，进行了面向材料芯片固相反应的微纳粉体脉冲输送中多种微尺度效应耦合机理研究。.设计了以压电陶瓷、电磁铁为驱动器的面向材料芯片固相反应的微纳粉体脉冲输送-喷射-混合实验系统。研究了基于热变形的玻璃微喷嘴制备工艺，制作了微纳粉体脉冲输送-喷射-混合用玻璃微喷嘴。研究了微纳粉体脉冲输送-喷射-混合系统中驱动电压U、频率f、微喷嘴内径d、输送角度θ 等系统参量对粉体脉冲输送微特性的影响规律。.对脉冲惯性力主导下的固-流耦合驱动微纳粉体流动进行了理论分析，研究了压电驱动波形、电磁振动特性对微流体驱动效果的影响规律。研究了宏-微耦合对微纳粉体脉冲喷射效果的影响规律；为解决宏-微耦合产生的粉体结拱问题，设计了组合修圆波形，改善了粉体因密实度增加导致的输送不稳定现象。研究了纳米干粉体单颗稳定脉冲输送的影响因素。采用微流体脉冲驱动-控制技术实现了微纳米干粉体单颗稳定输送和不同微纳粉体的脉冲输送-喷射-混合，在微输送的不堵塞性、微喷射的分辨率和一致性、微混合的均匀性等方面具有良好的工作微特性。.建立了粉体脉冲流动模型，研究了多种微尺度效应间耦合机理，得出了在粉体的脉冲驱动-控制下粉体实现连续喷射的条件，粉体脉冲流动效果与脉冲惯性力、粉体堆积密度和微喷嘴出口内径有关，对于某一特定粉体可通过实验确定参数。对粉体脉冲微输送过程进行了离散元数值分析，模拟了粉体脉冲微喷射过程，研究了不同驱动参数对粉体脉冲微输送的影响规律。.以粉体脉冲流动中固-流耦合、宏-微耦合规律、多种微尺度效应间的耦合规律及机理为依据，建立了粉体脉冲运动模式和系统参量设置优化准则，研究了微纳米干粉体脉冲流动技术在发光材料芯片和功能梯度材料领域的应用。较之于现有的先配制溶液、再挥发掉溶剂、然后固相反应的间接作业路线，可直接使用干粉体进行材料芯片的固相合成，大大提高材料芯片制备效率；另一方面，由于微纳米干粉体脉冲输送、喷射及混合技术具有粉体广适性，有助于克服某些粉体材料溶解度太低的困难，为更多用途的材料芯片的制备提供技术可能性。