【《狭缝涂布制备薄膜及仿真分析案例》3100字】

狭缝涂布制备薄膜及仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u21187狭缝涂布制备薄膜及仿真分析案例 1179711.1狭缝涂布所采用浆料及设备 1142001.2狭缝涂布操作步骤 1207591.3结果分析 429161.4Fluent狭缝涂布物理模型建立与操作过程 563221.4.1狭缝涂布有限元物理模型 518141.4.2网格条件 5225781.4.3Fluent模型选用 6129241.4.4模拟不同入口流量时的参数设置 649781.4.5不同入口流量时涂布层稳定时刻分析 6222731.4.6速度对涂布质量的模拟结果及分析 8305121.4.7模拟不同浆料粘度时的参数设置 10152341.4.5浆料粘度对涂布质量的模拟结果及分析 1139961.4.8结论 111.1狭缝涂布所采用浆料及设备本章中狭缝涂布实验所采用的浆料为25wt%PVDF溶液，溶剂为NMP（N-甲基吡咯烷酮）。如图4-1所示溶液为无色透明状，运动粘度为0.8pa·s。涂布基底为专用涂布纸，厚度为220μm。1.2狭缝涂布操作步骤（1）首先将配置好的浆料吸入机器配套的针筒注射器内，将注射器放在泵控制的定量推进器中并固定。如图4-1所示，并将针筒用软管连接到狭缝涂布机上。图4-1数显推进器图（2）打开狭缝涂布机控制面板，按说明装上涂布纸并调整纸张拉力，试运行检查纸张是否可以跟随轧辊正常移动且不会产生皱褶，如图4-2所示。图4-2狭缝涂布机（3）确认涂布模具头中无杂物堵塞，在控制面板上调整狭缝涂布模头移动至设定好的位置，并打开烘箱并预热如图4-3所示。图4-3狭缝涂布机涂布模头（4）在控制面板中，调整基底移动速度，设定注射泵正向注射与泵的推进针管的流量参数，点击开始涂布如图4-4所示。图4-4狭缝涂布机控制面板涂布机开始运行之后，浆料就由数显推进器以设定好的流量挤入狭缝中，再经过狭缝模具头挤到基底上，涂布浆料在基底上展开，之后基底由辊轮带动水平移动进入烘干系统，最后将烘干好的涂布层剪下，这样就完成了完整的狭缝涂布的流程。为了研究进口流量与基底速度对于涂布质量的影响，本实验将涂布基底速度固定为0.08m/s，进口浆料挤入速度分别为0.05m/s、0.075m/s、0.1m/s、0.125m/s、0.15m/s、0.3m/s。1.3结果分析图4-5狭缝涂布初始阶段基底表面形态图如图4-5所示，a-f分别推进泵不同的推进速度，可以明显看出a图有小而密的蜂窝状气泡，推测是由于入口流速小而基底移动速度相对较大所以卷入空气的速度较快，导致形成数量多的气泡产生。b-d图可以看出随着入口速度逐渐增大，气泡数量在减小且变疏。而e则形成了十分完美的涂覆层，证明此时进口流量与基底移动速度之间形成了完美的配合。随着入口速度进一步上升，如图4-5f）所示，由于进口速度过快，基底速度相对较慢导致液体一下子堆积崩塌，未形成较未完整的涂覆层。1.4Fluent狭缝涂布物理模型建立与操作过程1.4.1狭缝涂布有限元物理模型图4-6狭缝涂布建模示意图如图4-6所示，本实验中采用2d模型对涂布过程进行仿真，涂布模型分为四个边界区域：浆料入口、涂布喷头、压力出口、移动基底。涂布狭缝宽度w=0.5mm，涂布唇宽度x=1mm，涂布头与基底高度H=0.5mm。1.4.2网格条件图4-7网格划分与边界细化图由于本模拟主要观察涂布质量，而质量缺陷主要发生在基底边缘附近，为了减少计算量，对模型网格边界进行了细化，所以靠近基底处进行网格细分。在了保持旋涂时精度，在贴近基底一层，设定网格最小为5.8μm，最大为20μm，在空气存在的的区域设定最小网格为100μm，最大为0.12mm，网格精度划分后的网格数量达到36011，通过模拟结果以及经验探索中可得知，此网格精度已经基本满足模拟液体在基底上涂布的过程和可能产生的缺陷。1.4.3Fluent模型选用与旋涂法相似，因为是多相运动本模拟依旧使用VOF模型，空气为主项phase1，再根据实际定义浆料为第二项phase2，运动粘度μ为0.8pa·s，表面张力σ为0.05N/m。在描述涂布过程的流场时，雷诺数Re和毛细管数Ca可以由式（4-1）（4-2）分别定义：Re=ρCa=μv式中ρ为液体密度（kg/m2），u为浆料入口速度（m/s），v为基底移动速度（m/s）H为涂布头与基底的间距（m），μ为液体运动粘度（mpa·s），σ本实验中入口速度u选取最大值为0.015m/s，基底运动速度v均为0.08m/s，算出Ca=1.28，由于狭缝涂布浆料运动粘度较高，所以涂布过程中粘性力为影响流动过程的主要因素。Re=0.002，其远小于层湍流临界值，所以在模拟过程中选用VOF模型中的Laminar层流模型。1.4.4模拟不同入口流量时的参数设置在边界条件模块中将入口边界设定为速度入口，设定浆料体积分数为100%，浆料运动粘度为0.8pa·s。入口流速分别为0.05m/s、0.075m/s、0.1m/s、0.125m/s、0.15m/s、0.3m/s。基底运动速度为0.08m/s在外界边界选择压力出口(press-outlet)边界，涂布头选择为wall固定边界，与浆料接触角为60°。基底选择为wall动边界，运动速度为0.15m/s，与浆料接触角为50°。设置时间步长为0.00001s每步。1.4.5不同入口流量时涂布层稳定时刻分析为了预测涂布层稳定的时间，在浆料入口处设置了压力检测点，当压力稳定时就代表着涂布层下游已经达到稳定的厚度。如图4-8所示，入口速度为0.05m/s的浆料在140ms达到了涂布层相对稳定的状态。图4-8浆料入口压力-时间图

表4-1不同速度下涂布层稳定时间入口速度（m/s）最大压力（pascal·m2）涂布层稳定时间（ms）0.05561400.075591550.1621680.125632050.15682350.377400从图4-8与表4-1中，我们可以看出随着入口速度的增加，涂布层稳定所需要时间将越来越久，同时最大压力可以反应出涂布层的厚度也将越来越厚，即小速度可以获得较快的涂布稳定时间和较薄的涂布层。1.4.6速度对涂布质量的模拟结果及分析图4-9入口速度为0.05m/s、0.075、0.1m/s不同时刻涂布质量图从图a、b、c图可以明显观察到当浆料入口速度为0.05m/s、0.075m/s、0.1m/s时，狭缝中喷出的浆料堆积在狭缝口与基底之间，但由于基底移动速度过快的原因，浆料被所产生的粘性力带动随着基底一起移动，上流区域浆料没有得到及时补充将涂布区域封闭，大量空气在上流区域空隙混入浆料，导致涂布中产生规律性的空气缺陷。图4-10入口速度为0.125m/s、0.15m/s、0.3m/s不同时刻涂布质量图如图4-8所示，a)-c)分别表示浆料入口速度为0.125m/s、0.15m/s、0.3m/s时不同时刻浆料涂布情况。图中红色代表着涂布浆料，而底板附近出现的黄色斑点则是混入了空气所产生的气泡。随着浆料入口速度的上升，混入空气的比例逐渐缩小，如图a所示，黄色斑点已经变浅代表着空气混入的的含量减小，但依旧没能将上游完全封闭，不是最佳的涂布窗口。当浆料入口速度到了0.15m/s，如图b所示，可以观察到除了在浆料刚从狭缝出口挤出到基底时混入了少量空气，在后续涂布过程中，几乎没有出现空气混入的瑕疵，上游入口也被浆料所封闭。当浆料入口速度达到0.3m/s时，浆料充足，初始不会从上游混入空气，但由于浆料十分充足，导致涂布层过厚，可以从图c观察到在165ms时，上游过厚的涂布层崩塌，导致混入空气并且扰乱了流场导致下游涂布涂层也发生了混乱，这需要很长的时间才能恢复稳定，并且空气缺陷会一直存在。1.4.7模拟不同浆料粘度时的参数设置在1.4.4小节的参数设置基础上，继续模拟了浆料粘度为0.4pa·s时的涂布质量情况，并于0.8pa·s时的情况进行对比。1.4.5浆料粘度对涂布质量的模拟结果及分析图4-11两种粘度各速度涂布质量图a）0.8mpa·sb）0.4mpa·s如图4-10所示，a图为0.8mpa·s粘度浆料各速度涂布质量，b图为0.4mpa·s粘度浆料各速度涂布质量图。在0.05m/s-0.1m/s的速度范围内，对比两种粘度的浆料可以明显的看出粘度为0.4mpa·s的浆料涂布质量较好。造成这种结果的原因为粘度较小的浆料流动性比粘度大的浆料好，导致在相同速度条件下，上游能被更好的密封住，防止空气在运动时进入涂布层。但当速度增大为0.125m/s-0.3m/s范围时，对比两种粘度的浆料我们可以看出，粘度较小的浆料随着时间的推移在涂布起始段发生了震荡，在0.3m/s时也发生了浆料堆积崩塌的结果。1.4.8结论虽然过低的速度和流量可以获得更薄的涂层和更快的稳定速度