（流体力学专业论文）磁性纳米液体混合作用与链状结构研究.pdf

中田科学技术大学硕士学位论文 摘要 随着m e m s 的飞速发展，新的微纳器件层出不穷。然而这些微，纳器件中， 还有诸多的微尺度流动问题没有得到解决。相对于宏观流动，微尺度流动有着 自身的特点。磁性纳米液体在微流控中的应用相当广泛，针对磁性纳米液体在 微混合中的应用和其内部微结构的研究是当前微尺度流动研究中的热点之一。 本文集中研究了微管道中磁性纳米液体与去离子水的混合过程，和静磁场 作用下磁性纳米液体中的微结构及其空间分布。主要研究结果如下： 利用流动显示方法，我们观测了y 型微管道内磁性纳米液体与去离子 水的混合过程。实验中r e = 0 5 - 4 ，磁性颗粒体积分数巾= 0 3 8 - - 1 5 4 。 外磁场磁感应强度b - - 4 0 g s 。计算了混合效率和两种液体完全混合所需 的距离。实验结果表明，外磁场作用下，混合瘫离明显缩短。随着体 积分数巾的提高。混合在增强。而当r e 提高时，混合在减弱。 在外磁场作用下，磁性纳米液体内部磁性颗粒会发生集聚。利用 m i c r o - p i v 系统，我们观测了静磁场作m - f ( h = 3 9 8 - 5 9 7 k a m ) 直微管 道中链的长度及其空间分布量化分析了磁场强度片和m a s o n 数对链 长的影响。初步分析了剪切率对链长空间分布的影响。 关键词：微尺度流动。磁性纳米液体。磁驱动，微混合，链状微结构 中田科学技术大学硕士学位论文 b 筝r r ( ：t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm e m s ，m a n yn e wk i n d so fr a i c r o n a n od e v i c e sa r e e m a r g i n gc o n t i n u o u s l y h o w e v e r , al o to f p r o b l e m sa b o u tm i c r o f l o w sh a v en o tb e e n u n d e r s t o o di nm i c r o n a n od e v i c e s c o m p a r e dw i t ht h em a c r of l o w si nm a c r os c a l e t h em i c r o f l o wh a si t s s p e c i a l b e h a v i o r sa n da p p l i c a t i o n s t h em a g n e t i c n a n o p a r t i e l e sf l u i di sw i d e l yu s e di nt h em i c r o f l u i d i c mm i x i n ge n h a n c e m e n t o f t h em a g n e t i cn a n o p a l t i c l e sf l u i da n dt h e i rm i c r o s t r u c t u r eu n d e rm a g n e t i cf i e l d s b e c o m et h ec u r r e n tr e s e a r c h e s t h i st h e s i sf o c u s e sp r i m a r i l yo nt h em i x i n gp r o c e s si nm i c r o c h a n n e l sf o r m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sf l u i da n dd e i o n i z e dw a t e r , a n dt h e i rm i c r o s t r u c t u r ea n d d i s t r i b u t i o n se f f c c t e du n d e rs t a t i o n a r ym a g n e t i cf i e l d t h em a i nr e s u l t s 玳a s f o l l o w s ： w i t h t h ev i s u a l i z a t i o nm e t h o d ，w eo b s e r v e dt h em i x i n g p r o c e s so f m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e s n u i da n dd c i o n i z e dw a t e ri na y - t a p e m c i c r o e h a r m e l i nt h ee x p e r i m e n t s ，t h er e y a o l d su u r a b e rr e = 0 5 - - 4 ，a n d t h ev o l u m ef r a c t i o n 由o fm a g n e t i cn a n o p a r t i c l a sf l u i da l eo 3 8 1 5 4 t h em a g n e t i cf l u xd e n s i t yo ft h em a g n e t i cf i e l di sb f f i 4 0 g s t h cl e n g t ho f t w ol i q u i d sc o m p l e t em i x i n ga n dt h em i x i n ge f f l c i e n c i e sa l ec a l c u l a t e d n l ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em i x i n gl e n g t hc a nb er e d u c e d o b v i o u s l yu n d e rt h em a g n e t i cf i e l d 1 1 1 ci n c 他a s eo ft h ev o l u m ef r a c t i o n6 w i l lc l l h a n e et h em i x i n g ，a n dh o w e v e r , w h e nr en u m b e ri n c r e a s e s ，t h e m i x i n gw i l lb ed e l a y e d u n d e rt h ee x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d ，t h em a g n e t i cn a n o p a l t i c l e si nt h e m a g n e t i cn a n o p a l t i c l e s f l u i dw i l l a g g r e g a t ei nt h ec h a i n s ，w i t ht h e m i c r o p i vs y s t e m ，w eo b s e r v e dt h ec h a i n sl e n g t h sa n dt h e i rs p a t i a l d i s t r i b u t i o n si nt h es t r a i g h tm i c r o c h a n n e lu n d e r 矗7 _ 3 9 8 - - 5 9 7 k a m t h e e f f e c t so fm a g n e t i cf i e l dha n dm a s o nn u m b e ro nt h ec h a i n sl e n g t h sa r e i n v e s t i g a t e dq u a n t i t a t i v e l y f u r t h e r , t h ei n f l u e n c eo fs h e a l - r a t eo i lt h ec h a i n 中田科学技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t s p a t i a ld i s t r i b u t i o no f c h a i n si sa n a l y z e dp r e l i m i n a r y k e y w o r d s ： m i c r o f l o w m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e s f l u i d s ， m a 口c t 0 d r i v e n ， m i c r o - m i x i n g ，c h a i n - m i c r o s t r u e t u r e s i i i 中田科学技术大学磺士学位论文第一章引言 第一章引言 1 1 微流控与微流动研究现状 1 9 5 9 年，著名物理学家r i c h a r de f e y n m a n 首次指出“t h e r ei sap l e n t yo f r o o b l sa tt h eb o t t o m ”，预示了微尺度空间的存在【1 1 随着微加工技术的发展。1 9 6 2 年第一个硅微型压力传感器问世，1 9 8 7 年美国加州大学伯克利分校研制出转子 直径为6 0 1 2 0 b m 的硅微型静电电机等 2 3 a j ，标志着微机电系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，缩写为m e m s ) 的产生。 微机电系统( m e m s ) 是指利用微电子工艺制作的，集微型机构、微型传感器、 微型执行器及信号处理和控制电路等于一体的装置。部件的尺寸在微米量级。 m e m s 具有尺寸小、重量轻、响应快等特点，在航空航天、医学、生物工程等 领域有着潜在的巨大应用前景。 m a n ze ta 一于1 9 9 0 第一次引入微全分析系统f f a s ( m i c r ot o t a la n a l y s i s s y s t e m ) 。微流控( m i c r o f l u i d i c ) 芯片是微全分析系统的一个重要组成部分。微流 控芯片的目标是把整个化验室的功能，包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、 检测等集成在可多次使用的微芯片上。图1 1 就是一个聚合酶链式反应f p c r ) 扩增芯片，它包括了迸样、混合和热反应等一系列过程。微流控芯片可以分为 图1 1 一个聚台酶链式反应( p c r ) 扩墙芯片的示意图嘲 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章引言 单功能型，如微型混合器、微型反应器以及对细胞进行操作的芯片等，和集合 了多种功能于一体的芯片实验室( l a po nac h i p ) ，具有高效率、低消耗、低污染 和易携带等优点。 在一般的微流控系统中，都包含微型泵、微型阀等控制、传输流体的器件， 所控制的流体流量在n l s g l s 量级。流体的输运对器件性能的影响很大，因此微 尺度流动( m i c r o f l o w ) 成为m e m s 发展中的一个重要分支，是当前国内外研究的 热点。 在微尺度流动问题中，气体的流动会呈现稀薄效应，壁面滑移需要考虑f 0 9 】。 液体微流动更为复杂 j o - 1 5 。热蠕变、动电效应、粘性热耗教，甚至是量子和化 学效应等都会变得重要。壁面的材质和其表面的性质在动量和能量的交换中有 非常重要的作用 卜8 1 。在流动尺度减小到一定程度时，液体分子之间的吸引势以 及液固分子之间的相互作用将体现出来，传统的连续介质模型尚未考虑这些影 响。下面将综述影响液体微尺度流动的各种因素。 1 1 1 微流动的特点1 抛4 微尺度流动是指特征尺度在0 1 u m r 一1m m 范围内的流动。微尺度流动与宏 观流动相比，有以下显著的特点： 表面作用的影响 微尺度流动与宏观流动根本的区别在于表面力起支配作用。当流动的特征 尺度l 1 m 时，相应的表面积与体积之比l m l ，而随着特征尺度减小至l l 陋1 ， 表面积与体积之比1 0 6 l n - 1 ，增加了一百万倍。由于比表面积的增大，微管道流 体的辐射和对流传热速率大大提高；液体相对固体表面的浸润性会影响流体的 流动，表面张力甚至可以成为驱动微尺度流动的一种机制：范德瓦尔斯内聚 力的重要作用，使得微构件中摩擦力与器件无关而正比于其表面积；壁面双电 层的影响在流动特征尺度减小时会变得更加显著。尺度缩小也将某些连续介质 效应急剧放大，最典型的就是剪切速率，在内径1 0 岫管道内平均速度u 加1 m s 的流动，流动剪切速率为1 0 4 s 一。这些变化将影响流体的质量、动量和能量输运。 低雷诺数流动 由于流动特征尺寸很小，流动r e 数很低( 0 7 7 其中c 为待定常数。显然对较小的体积分数由，厂( 巾) 与巾的乘积成常数，而由 较大时，厂( 审) 与由2 的乘积成常数。由式( 2 1 1 ) 看出，当体积分数垂较小时，无 量纲混合长度【m ，与体积分数巾一次倒数相关，而体积分数垂较大时，无量纲 混合长度e m ，与体积分数中二次倒数相关。更准确的表达式有待进一步确定。 中田科学技术大学颐士学位论文第二章外磁场下徽管道中磁性纳米渣体的混合 2 4 本章小结 为了实验观测磁性纳米液体对混合的影响，作者完成了微管道的制作和封 装选择驱动源，测量了磁性纳米液体磁性性质、磁性纳米颗粒粒径及其磁场 性质。改进了图像采集方法和图像铡量。利甩流动显示手段观测了外加静磁场 b - - 4 0 g s 时，三种不同体积浓度( o 3 8 、0 7 7 和1 5 4 哟的磁性液体在三种不同 a e o 0 、2 0 和4 o ) 数下在y 型微流道中与去离子水混合的过程，获得了清晰的 混合随时间和空间变化的实验图片。通过对实验图片分析，得到了以下结论： ( a )外加磁场作用下，达到样品充分混合( 混合效率8 0 ) 的距离大大缩短。 例如，当磁性液体浓度为0 7 7 时，此样品在7 6 倍管道宽度处达到充 分混合，而没有磁场作用时，此处混合效率只有4 0 ： ( b )随着磁性颗粒体积分数由的提高，达到充分混合的流向距离还可以缩 短。与浓度为0 7 7 的样品在7 6 w 处达到充分混合相比，浓度1 5 4 的样品可在1 2 w 处即达到充分混合； ( c ) 随着r c 数的提高，达到充分混合的距离会变大。即r e 数越大越不容 易混合： ( d )根据实验数据分析，在有外加磁场下，无量纲混合长度- m ，随r e 数改变 而线形变化，但其比例系数为体积分数的函数当体积分数由较小时， 无量纲混合长度- m ，与体积分数由一次倒数相关，而体积分数由较大时， 无量纲混合长度- m ，与体积分数士二次倒数相关。 中国科学技术大学硕士学位论文第三章磁场作用下微管道中磁性纳米液体链状结构 第三章磁场作用下微管道中磁性纳米液体链状结构 上一章中，我们研究了磁场对磁性纳米液体与去离子水混合的影响。当磁 场作用于磁性纳米液体时，液体内部的磁性颗粒的运动会发生什么变化呢? 本 章中我们将研究磁场对磁性颗粒及磁性液体内部微结构的影响。 在第二章中研究混合时，当把电磁场调得很强时，我们发现了如图3 1 所示 的现象。可以看到不少颗粒已经集聚成链。 图3 a 磁场很强时磁性液体中的颗粒集聚 本章将通过实验研究层流剪切流下，垂直于方形微管道的磁场对磁性纳米 颗粒聚集成链的影响。通过对实验图片进行统计分析，给出了稳定状态下链长 与磁场强度、m a s o n 数的关系，以及在管道展向链长的空间分布。 3 1 实验设备和实验材料 3 1 1 流场显示设备 流场显示设备与第二章相同，即由o l y m p u s 倒置荧光显微镜( i x 7 1 ) 和a d r o n i x o n 光探测器( x 一1 8 0 7 ) 组成( 如图2 1 ) 。使用白色光源和1 0 0 x 物镜，并且是油 中嗣科学技术大学硕士学位论文第三章磁场作用下徽警道中磁性纳米液体链状结构 镜，其数值孔径为1 3 5 ，此时的光学分辨率为2 8 0 r i m 。光线由上到下穿越管道 进入物镜。光探测器的采样频率为3 5 i - l z ，拍摄频率为3 2 2 0 h z ，采用1 0 0 4 x 1 0 0 2 b i n 2 采集模式采集图片，视场大小为8 0 8 0 p m ，图片大小为5 0 2 x 5 0 1p i x e l s ，数 值分辨率约为o 1 6 9 r a p i x e l 。 3 1 2 实验微管道 实验中使用的微管道同样采用软光刻方法制成。制作微管道的材料为p d m s ( s x l g a r d1 8 4 ，d o wc o m i n g ) 。用氧离子溅射的方法使p d m s 微管道和盖波片 结合，组成封闭管道。矩形直管道测量尺寸为宽5 8 2 9 m 、深2 0 0 1 u n 、长0 5 c a n 。 第二章中实验使用y 型微管道，而在本章实验中使用了直管道。 在最初实验时，使用的也是y 型微管道。但是超低流量下，双进口同时有 液体进入时，在y 型微管道液体交汇处，两种液体无法保持平衡，总会是一种液 体侵入另外一种液体。 3 1 3 磁性液体 磁性液体原液( 安徽金科磁性液体有限公司) 饱和磁化强度为1 5 2k a m ，密 度为1 2 7 9 c m 3 。磁性纳米颗粒体积分数为6 9 2 利用m i l i q 去离子水稀释原 液得到实验用液体，其密度为1 0 1 8g c m 3 ，磁性纳米颗粒体积分数为0 4 5 ，饱 和磁化强度为1 3 1k a m 。实验时