介電彈性體無閥微泵設(shè)計

陳 潔，鄭國華，崔春華，馬小晶

（新疆大學(xué)，烏魯木齊市 830047）

1 前言

無閥微泵利用流體在微尺下的新特性，原理比較新穎，具有更大的發(fā)展前景。但目前常見的壓電式無閥微泵工藝復(fù)雜，成本高昂［1］。

介電彈性體作為一種電場型電致動聚合物（EAP），是一種新型的智能材料。它在外電場的作用下可以產(chǎn)生很大的電致應(yīng)變，一旦電場撤除，介電彈性體材料能夠迅速恢復(fù)到其初始的尺寸。同時，介電彈性體材料還具有質(zhì)量輕（丙烯酸聚合物密度近似1 g/m3），輸出應(yīng)力大（最大應(yīng)力可達(dá)7.2 MPa），響應(yīng)速度快（響應(yīng)頻率在0.1～20 kHz），質(zhì)量能力密度高（可高達(dá)3.4 J/g），極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性（硅樹脂薄膜可工作在260 ℃的高溫下），耐用性（最高可工作1千萬次工作周期，使用壽命超過3年），大柔順性，好的負(fù)載匹配性等優(yōu)點，這些特點使得它在驅(qū)動器應(yīng)用領(lǐng)域具有其它材料不可比擬的優(yōu)越性［2］。

本設(shè)計中采用VHB4910制備的介電彈性體材料作為無閥微泵的驅(qū)動膜，自制錐形介電彈性體作為驅(qū)動部件。

2 介電彈性體的加壓變形測試

由于橡膠材料初次加載時，會產(chǎn)生應(yīng)力軟化（Mullins效應(yīng)），本文采用在預(yù)拉伸前循環(huán)加載5次的方法來減小應(yīng)力軟化對試驗誤差的影響［3，4］。均勻預(yù)拉伸后的VHB4910膜型材料利用其自身黏性粘到中間開直徑φ40 mm窗口的絕緣框架上，并在正反兩面中心位置涂抹柔性電極材料，最后由導(dǎo)線連接到直流高壓發(fā)生器上，如圖1所示，并將絕緣框架垂直固定到絕緣支座上。

圖1 試驗單元構(gòu)成

用數(shù)碼相機(jī)采集加電壓前后的圖像數(shù)據(jù)，利用基于OpenCV中cvContourArea函數(shù)設(shè)計的C程序計算出加電壓前后柔性電極區(qū)域的面積變化，進(jìn)而計算出變形量（變形前后面積差與變形前面積之比）。

通過數(shù)碼相機(jī)采集得到加電壓前后的圖像，如圖2所示。

圖2 加電壓前后DE圖像

通過設(shè)計的C程序經(jīng)預(yù)處理、灰度化、二值化、輪廓提取翻轉(zhuǎn)后計算出面積［5］，得到變形量為149.8%。

3 無閥微泵設(shè)計

無閥微泵工作原理如圖3所示。本設(shè)計采用收縮-擴(kuò)散型微泵。收縮—擴(kuò)散型微泵是一種比較典型的無閥微泵，用收縮和擴(kuò)散的不同形狀通道代替了單向閥，并以流道不對稱所引起的壓力損失的不對稱性來實現(xiàn)流體的泵送。微泵的流量取決于2個因素：驅(qū)動器的工作頻率和泵體的收縮-擴(kuò)散管的幾何尺寸［6］。

圖3 無閥微泵工作原理示意

3.1 流道設(shè)計

無閥微泵流道設(shè)計重點在于擴(kuò)散管/收縮管的結(jié)構(gòu)設(shè)計，錐管參數(shù)決定了微泵的流動特性。擴(kuò)散/收縮結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 擴(kuò)散/收縮管結(jié)構(gòu)示意α.收縮/擴(kuò)散角；L .收縮/擴(kuò)散管長度；h.最小直徑

根據(jù)流體力學(xué)的理論，對擴(kuò)散/收縮管進(jìn)行分析，得到了α，L，h對擴(kuò)散率 ξ 的影響。當(dāng)α=10 ℃、L=1.2 mm、h= 0.12 mm時，ξ 達(dá)到最大值，即流量達(dá)到最大［6］。因為ξ的值直接影響微泵的流量，當(dāng) ξ 值越大時流量和效率越大，本設(shè)計中的收縮/擴(kuò)散管長度L為5 mm，收縮/擴(kuò)散角α為10 ℃，最小直徑h為1 mm。

收縮/擴(kuò)散管的擴(kuò)散率為：

式中 ζd——擴(kuò)散管流阻系數(shù)

ζn——收縮管流阻系數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)［7］可查出 ζd和 ζn的值，從而計算得到擴(kuò)散率 ξ=4.71。

3.2 泵體幾何尺寸的確定

為了得到較高的液體流量，增大了驅(qū)動膜的工作頻率，但是工作頻率的提高使驅(qū)動膜的驅(qū)動能力和響應(yīng)速度下降［8］。

設(shè)計錐形介電彈性體驅(qū)動器來提供驅(qū)動膜的振動，無閥微泵的供給模式和泵出模式由驅(qū)動膜的振動來實現(xiàn)。圖5為錐形介電彈性體驅(qū)動器安裝后的無閥微泵。錐形介電彈性體驅(qū)動器的驅(qū)動能力和驅(qū)動響應(yīng)速度比較合適本設(shè)計無閥微泵的工作頻率，并且z方向產(chǎn)生的位移也較高，使泵的流量更大。

圖5 錐形彈性體驅(qū)動器安裝后的無閥微泵

錐型介電彈性體驅(qū)動器在通電后可以產(chǎn)生較大的向下線性位移，產(chǎn)生的最大線性位移約為7 mm，面積變化率為15.49%；斷電后又能較快地恢復(fù)初始位置［8］。

根據(jù)已設(shè)定好的收縮-擴(kuò)散管的尺寸大小，確定微泵總體長度為44 mm，寬度為20 mm，厚度為4.5 mm，上下泵蓋的厚度為1 mm，泵體的厚度為2.5 mm。上銅片的厚度為0.7 mm，外直徑為17.4 mm。下銅片的厚度為0.3 mm，外直徑為18 mm。泵體中間有直徑為16 mm的泵腔，兩邊有2個直徑為8 mm的緩沖腔。上泵蓋中間有直徑為18 mm的打孔，左邊是直徑為10 mm的進(jìn)水口，右邊是直徑為10 mm的出水口，無閥微泵的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 無閥微泵的三維結(jié)構(gòu)

4 流量理論分析和計算

外固定框架的半徑R為8 mm，內(nèi)固定框架的半徑r為4 mm，內(nèi)固定框架的拉升高度為12 mm，變形前后錐形的高度h1，h2分別為5 mm和9 mm。

錐形初始體積為：

加電后錐形的體積為：

泵腔的體積變化量為：

ξ=4.71，泵一個工作周期（設(shè)為0.2 s）內(nèi)的流量為：

泵的效率為：

式中 VT—— 一個周期內(nèi)從微泵出口流出的液體體積，mL，VT=0.284 mL

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種介電彈性體無閥微泵。該微泵采用收縮管/擴(kuò)張管結(jié)構(gòu)，利用自制錐形介電彈性體作為驅(qū)動部件。同時對介電彈性體微泵的流量和效率進(jìn)行了分析，無閥壓電微泵一個工作周期（設(shè)為0.2 s）內(nèi)的流量為1.4212 mL/s，效率為0.738。本文設(shè)計的無閥壓電微泵結(jié)構(gòu)簡單，得到了較為理想的流量和效率。

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