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流体脉冲喷射系统设计与均匀微粒制备研究

作　者: 李毅斌
导　师: 李建国；张曙光
学　校: 上海交通大学
专　业: 先进材料与凝固
关键词: 液滴 单分散 脉冲 射流断裂 机理
分类号: TF37
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 26次
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内容摘要


球形微粒被广泛应用于粉末冶金、化工医药、电子封装和快速成形等行业,因而受到极大关注。均匀颗粒制备方法主要包含雾化法、切丝重熔法、乳化法和均匀液滴喷射法等,但均无法完全满足成本和性能方面日益苛刻的要求。本文创新性提出了制备均匀颗粒的流体脉冲喷射法(Jet Pulse Spray,JPS)并建立了装置,以石蜡为试验对象,通过工艺实验和数学模型探讨了工艺参量的影响规律和机理,获得了均匀颗粒及其形成条件。JPS法制备的颗粒粒度分布窄,其设备工艺简单、可控性好、成本低和生产效率,应用前景广阔。JPS工艺利用旋转阑孔与喷嘴之间的周期性通断实现流体的定量切分,将连续射流转化为脉冲喷射,并使之在合适扰动下断裂成均匀液滴。直接分配液体的称为直接模式,而通过分配气体形成气体脉冲再形成液体脉冲的则称为间接模式。设计了两种模式下的相应功能组件并建立起实验装置,完全满足了实验要求。在JPS直接模式中,石蜡颗粒粒径dd随阑孔转速n的提高而减小,随喷射速度uj的提高而增大。提高喷射速度和减小旋阑厚度H,均能降低颗粒尺寸偏差CV值从而提高均匀度。考虑断裂周期、Taylor-Couette涡流等因素而提出的定量切割-渐长分离耦合模型,比单个子模型更符合实验结果。获得的较优结果(dd≈520μm,CV≈6.7%)的工艺参数为:H=3 mm,n=350 rpm,uj=2.3~2.7 m/s。在JPS间接模式中,提高旋阑转速和喷射压力能有效提高颗粒均匀度和生产率并拓宽收集范围。基于气压的制粒模型比基于气量的与实验结果更为吻合。系统分析了射流断裂长度与最佳扰动频率的关系,发现实验结果符合Weber失稳理论。高速摄像显示了该模式下的定量喷射和断裂扰动的周期性及其与液滴均匀度之间的相关性。此外,预测了液滴的飞行轨迹,为颗粒收集范围选择提供了依据。该模式在喷射压力P=0.04 MPa,n=350 rpm时,制备的石蜡颗粒dd≈525μm,CV≈3.3~4.2%。与直接模式相比,间接模式为非接触式方法,对材料熔点、腐蚀性和活性等几乎没有限制,适应性很广,工艺可控性更好,颗粒均匀度大幅度提高,具有极高的推广应用价值。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-20
  1.1 引言  8
  1.2 颗粒制备技术发展现状  8-13
  1.3 射流断裂原理研究进展  13-16
    1.3.1 Lord Rayleigh 液流线性不稳定理论  13-14
    1.3.2 Weber 射流失稳理论  14-15
    1.3.3 非线性不稳定理论  15-16
  1.4 泰勒-库提流（TAYLOR-COUETTE）  16
  1.5 均匀液滴/颗粒的应用  16-18
    1.5.1 电子封装  16-17
    1.5.2 生物医药工业  17
    1.5.3 快速原型制造  17-18
  1.6 本文选题意义及主要工作  18-20
第二章 流体脉冲喷射系统制粒原理、机械设计及实验方法  20-34
  2.1 流体脉冲喷射系统制粒原理  20
  2.2 流体脉冲喷射系统机械设计  20-31
    2.2.1 直接模式  20-26
    2.2.2 间接模式  26-31
  2.3 工艺实验  31-33
    2.3.1 流体脉冲喷射系统直接模式制粒过程  31-32
    2.3.2 流体脉冲喷射系统间接模式制粒过程  32-33
    2.3.3 冷却收集过程  33
  2.4 表征方式  33-34
第三章 流体脉冲喷射系统直接模式工艺实验与理论分析  34-52
  3.1 流体脉冲喷射系统直接模式工艺实验  34-39
    3.1.1 旋阑转速的影响  34-36
    3.1.2 旋阑厚度的影响  36-39
    3.1.3 喷射速度的影响  39
  3.2 理论模型的建立及对液滴行为的分析预测  39-51
    3.2.1 定量切割阶段  39-42
    3.2.2 渐长分离阶段  42-46
    3.2.3 耦合模型的建立  46-48
    3.2.4 涡流模型及其影响  48-51
  3.3 小结  51-52
第四章 流体脉冲喷射系统间接模式工艺实验与理论分析  52-71
  4.1 流体脉冲喷射系统间接模式工艺实验  52-56
    4.1.1 旋阑转速的影响  52
    4.1.2 喷射速度的影响  52-55
    4.1.3 喷射压力的影响  55-56
  4.2 理论模型的建立及对液滴行为的分析预测  56-70
    4.2.1 基于气量制粒模型  56-60
    4.2.2 基于气压制粒模型  60-62
    4.2.3 模型预测值与实验结果比较  62-63
    4.2.4 射流断裂长度  63-68
    4.2.5 微粒飞行路径  68-70
  4.3 小结  70-71
第五章 结论与展望  71-73
  5.1 主要结论  71
  5.2 研究展望  71-73
参考文献  73-77
符号与标记（附录1）  77-78
致谢  78-79
攻读硕士学位期间已完成的论文和专利与获得的奖励  79-81

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中图分类: > 工业技术 > 冶金工业 > 冶金机械、冶金生产自动化 > 粉末冶金机械与生产自动化
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