基于3D打印的柔性三频微带天线的设计与加工

为解决可穿戴设备在复杂应用场景中无线信号响应范围较窄的问题,该文提出了一种柔性三频微带天线,在2.5 GHz、3.5 GHz、5.4 GHz微波频段采用双“T”型+双“L”型表面结构实现天线的谐振,采用聚酰亚胺为基底材料,纳米银为辐射贴片及接地面的导电材料以实现柔性化。使用ANSYS HFSS对天线进行建模并进行仿真分析,使用微滴喷射3D打印工艺对其加工,有效地解决了传统微机电系统(MEMS)加工在柔性电子领域上成本高及步骤复杂等问题。最后使用场发射扫描电镜分析打印面形貌,并使用矢量网络分析仪分别测试天线成品的回波损耗、可弯折性及弯折抗疲劳性,测试结果与仿真结果基本一致,且天线具有较好的弯折性能。

鞘气辅助空气动力学透镜聚焦的干法气溶胶喷印实验研究

针对气溶胶喷印技术中油墨存储条件苛刻和溶剂、表面活性剂去除等问题,提出了一种鞘气辅助空气动力学透镜聚焦的纳米粉末气溶胶喷印装置,建立了气溶胶喷印系统,探究了喷印速度、鞘气/载气体积流量比值对系统喷印效率、线条形貌的影响。通过激光烧结实验及电化学性能测试实验,分析了激光处理对气溶胶喷印线条电阻率、微观形貌、氧化程度的影响。实验结果表明:当喷印速度为19.20 mm/min、鞘气/载气体积流量比值为2.65时,获得了最小宽度为56.52μm的喷印线条;激光处理后,喷印线条中的纳米银粉末颗粒融化团聚并形成丝状物互相黏结,显著降低喷印线条的电阻率。

鞘气辅助空气动力学透镜的干法气溶胶喷印装置设计

针对湿法气溶胶技术在喷印过程中由于需要提高喷印线条精度和使用有机溶剂而带来的诸多问题,设计了一种鞘气辅助空气动力学透镜的干法气溶胶喷印装置,实现金属纳米颗粒材料的聚焦和沉积。该装置以鞘气辅助空气动力学透镜作为聚焦模块、以纳米银粉作为材料,避免了因使用有机溶剂带来的问题。在使用透镜公式计算的基础上,通过透镜计算器综合得出透镜结构尺寸,选择合适方式引入鞘气辅助聚焦,通过SolidWorks建模软件对装置进行建模,并采用Ansys Fluent仿真软件对空气动力学透镜进行仿真分析。仿真结果表明:颗粒粒径对透镜聚焦效果有较大影响;辅助鞘气倾角为40°时装置有更好的聚焦效果。在已构建的气溶胶喷印平台上对所设计装置进行实验研究,探究喷印线条形貌变化。在实验研究中获得了最小线宽为86.09μm的喷印线条,相当于喷嘴直径的43%。同时实验结果表明载气体积流量、基底温度、鞘气体积流量对喷印线条宽度有较大影响,对线条高度影响较小,喷印层数对线条宽度、高度都有较大影响。

高频声表面波液滴雾化器设计与实验研究

针对现有的雾化装置粒径分散较广及难以生成大量微米级与亚微米级液滴等问题,设计并加工了一种基于声表面波的液滴雾化装置。首先,利用COMSOL仿真软件对声表面波器件的结构建模并进行压电仿真分析,模拟声表面波的振动传播,得到其谐振频率为18.269 MHz。其次,基于声-压电耦合多物理场模拟声波在固-液界面的衍射,以及在液体中的传播过程。最后,加工声表面波雾化实验装置并进行液滴雾化实验,通过调整激励信号频率与输入功率实现了液滴的稳定雾化,对雾化后的液滴粒径分布进行测试。实验结果表明,当输入信号幅值为420 mV,谐振频率为19.259 MHz时,该装置生成大量微米级细小液滴,液滴粒径基本呈三峰分布,主要集中在3μm、30μm与500μm。

MXene柔性压力传感器的制备与性能

柔性压力传感器作为一种新型的压力电子器件已经在医疗健康监测、智能可穿戴的电子设备、人机数据交互平台等领域广泛应用。采用磁控溅射法制备叉指电极,通过湿法腐蚀法获得MXene胶体溶液,利用压电式按需喷印技术将MXene胶体溶液覆盖在叉指电极的上方,从而完成压敏活性层的制备。利用扫描电子显微镜(SEM)对MXene压敏活性层的形貌进行表征,结果表明压敏活性层表面平滑整齐、成膜均匀、结构清晰。对制备的柔性压力传感器进行灵敏度检测。结果表明当压强在0~5 kPa的区间内时,传感器具有较高的灵敏度,为0.139 kPa^(-1)。最后对该传感器进行人体运动传感性能测试。结果表明该MXene柔性压力传感器有望在可穿戴电子以及医疗监测领域广泛应用。

菲涅尔透镜聚焦声泳打印装置设计及实验研究

针对现有的喷墨打印技术需根据喷印材料的特性定制而较难直接用于不同材料打印的问题,设计了一种基于菲涅尔透镜聚焦的声泳打印装置。该装置由超声发生器、超声换能器、菲涅尔透镜以及供液系统组成。首先,利用多物理场耦合仿真软件模拟液滴在声辐射力作用下的滴落过程,并分析了喷嘴到基底距离、菲涅尔透镜厚度及基底不同边界等因素对声场压力分布的影响,以及声场压力、喷嘴直径及材料黏度对液滴喷射过程的影响。其次,采用构建的声泳打印装置进行喷射成滴实验,通过调整超声发生器输出功率实现了不同黏度的聚乙二醇溶液的喷射以及UV胶的喷射。实验结果表明:该微滴喷射系统能产生一致性较好的微滴,喷印出的微透镜尺寸波动范围在2%以内,证明了该装置的稳定性以及实现了不同材料微滴喷射的可行性。

多材料按需微滴喷射系统设计与实验研究

为满足微电子制造、封装领域中不同性质材料按需精确分配的需求,提出了一种由多微滴喷射单元构成的多材料按需微滴喷射系统。该系统的微滴产生模块由用于低黏度流体材料的气动膜片式微滴喷射单元、用于熔融金属流体的压电活塞式微滴喷射单元和用于高黏度流体的机械阀式微滴喷射单元组成。同时由数字相机、模拟相机+图像采集卡构成的图像采集系统,实现液滴沉积的视觉引导对准定位,以及微滴产生过程的图像采集。利用该系统,进行水基混合物、金属焊料和环氧树脂胶的微滴喷射实验,分析了不同黏度对液体微滴喷射过程的影响,实现了金属焊料的微滴喷射,获得了平均直径为70.5μm的焊球及焊球阵列,其直径偏差小于2%。同时也获得了平均直径为0.6 mm的环氧树脂胶点阵列,其直径偏差小于4%。实验结果表明:该系统可用于包括高黏度环氧树脂胶、金属焊料等在内的多种不同黏度的材料,实现微米级微滴的按需喷射。

高强铝合金厚板搅拌摩擦焊可焊性分析

针对7A52和2219高强铝合金进行搅拌摩擦焊可焊性试验研究,初步探讨了工艺参数之间的内在联系及其对焊缝组织和接头性能影响。

一种新型卧式微电火花机床的设计与实验研究

针对微电极制作的效率问题,提出了一种快速在线微电极加工成形的方法,设计了一种新型卧式微电火花机床。该机床由金刚石砂轮超精密在线电极磨削、线电极电火花在线电极磨削共同完成微米级电极的高效精密制作,该机床组成部分还包括基于CCD的在线光学尺寸检测与测量系统、精密运动与进给系统、纳秒级独立式脉冲放电电源与放电状态检测反馈系统组成。在该机床上进行了微电极制作、微小孔加工以及微电火花铣削等实验,加工出ф15μm微细轴和ф50μm微小孔。

基于喷墨打印机的三维打印快速成型系统开发及实验研究

三维打印成型技术是目前快速成型领域最具生命力的技术之一,有广阔的应用前景。通过研究三维打印成型机理,针对目前在三维打印成型中广泛使用热气泡式喷嘴所存在的问题,提出了采用压电式喷嘴喷射成型材料和粘结材料的思想。讨论了基于压电式喷墨打印机的三维打印快速成型系统开发的关键技术和方法,根据这一思路开发了一套快速成型系统,并研究了粉末配方、铺粉方式、打印层厚、切片方向、等工艺参数。实验结果验证,所开发的快速成型系统制造的精细模型圆孔直径可达0.5mm,壁厚可达0.8mm,成型误差在±0.2mm以内。

气动膜片式微滴喷射装置理论分析与实验研究

微滴喷射是通过产生微米级的液滴实现流体按需精确喷射沉积成形的技术。气动膜片式微滴按需喷射装置的原理是以膜片为驱动部件,以压缩气体脉冲为驱动源,通过膜片的弹性变形实现液体腔的体积变化从而产生微液滴。通过建立驱动气压与液体腔内工作压力的关系,分析腔体内液体的流动状态,从而建立气动膜片式喷射系统的数学模型,以此作为优化装置结构和控制参数的依据。此外,利用该装置完成了黏性液体的可控喷射。研究结果为喷射制造的实际应用提供了理论与实验依据。

2519厚板搅拌摩擦焊接工艺及组织分析

采用搅拌摩擦焊接方法对厚度为12mm的2519铝合金板进行焊接试验。实验结果表明：在焊接速度为140mm／min，旋转速度为1800-2200r／min时，随着旋转速度的增加，焊缝强度先增加后减小；在旋转速度为2000r／min时，可以获得较好的焊接接头，抗拉强度达到最大值296MPa，断裂形式为韧性和脆性的混合型断裂。光学显微镜、扫描电子显微镜和电子能谱分析结果表明：焊缝中组织的差异及晶界上粗大的富铜析出相是导致焊缝强度低于基材强度的原因；焊缝中的组织差异及晶界富铜析出相的形成是焊缝区温度沿板厚的急剧变化和搅拌力综合作用的结果。

2519厚板搅拌摩擦焊缝组织性能及断裂分析

采用搅拌摩擦焊方法对厚度为20 mm的2519高强铝合金板进行了单道对接焊试验,并对焊缝的微观组织、力学性能及断裂特性进行了分析。试验结果表明,在旋转速度为1600 r/min、焊接速度为30 mm/min时,20 mm厚板焊缝的抗拉强度可达313 MPa;厚板焊接时,因焊接速度较慢,厚板焊缝搅拌区的平均显微硬度在115 HV左右,出现了较大程度的软化,其软化区长度约为55 mm;其断裂形式为韧性和脆性的混合型断裂。20 mm厚板焊接时,上下板面搅拌区的温差在150℃左右,热机作用梯度沿板厚急剧变化,是厚板焊接比薄板焊接困难的原因之一。

气动膜片式精密焊球微滴喷射制作方法

为满足面积阵列封装对所需焊球越来越高的要求,提出了利用气动膜片式微滴喷射原理制作焊球的新方法。介绍了该方法的基本原理及所采用的实验装置,使用由自制电火花微孔加工机床加工的直径50μm不锈钢喷嘴,成功实现了直径100μm以下焊球的制作,研究了主要控制参数对焊球直径的影响。结果表明,气动膜片式微滴喷射方法制作的焊球直径精确、表面闪亮、球形完美,填补了国内直径100μm以下超精密微焊球制作技术的空白。

旋转速度对高强铝厚板搅拌摩擦焊温度场的影响

基于ANSYS,通过对高强铝厚板搅拌摩擦焊的三维温度场有限元数值模拟,定量分析了厚板搅拌摩擦焊中最重要的工艺参数———旋转速度对搅拌区焊接温度场的影响。结果表明,在厚板焊接时,随着旋转速度增加,搅拌区温度总体升高,且高温区的贯穿深度增加。分析表明焊缝金属流变区最低温度在靠焊件底面搅棒表面处,该温度是限制厚板搅拌摩擦焊接性和焊接速度的主要因素。

搅拌摩擦焊工艺参数对2519厚板焊接性能的影响

采用搅拌摩擦焊方法对10mm厚的2519高强铝厚板进行了焊接,研究了该铝合金厚板的搅拌摩擦焊工艺参数对其焊接性能的影响。结果表明:在一定范围内,随着转速或焊速的增加,焊缝强度都呈现出先增加后减小的特征,在转速为2000r/min、焊速为150mm/min时,可获得较好的焊接接头,其抗拉强度达到最大值298MPa。焊逢的薄弱环节出现在热影响区与热机影响区的过渡区。

VRML彩色切片过程中的若干问题研究

彩色三维打印技术作为三维打印技术的一个重要方面,有着广阔的应用前景。通过研究VRML(Virtual Reality Modeling Language)文件格式的特点,选择了该文件格式作为数据传输接口;通过从文件中提取模型的颜色信息,实现了对三维模型进行彩色切片;并结合实验室自行研制的三维打印系统对切片结果进行了验证,成功打印出彩色三维模型。针对切片过程中的一些关键环节,包括平行表面显示,轮廓方向修正及多零件模型(装配件)切片,进行了详细的讨论,并针对这些问题提出了相应的解决方案。

基于VRML文件格式的彩色切片研究

在快速成型领域,STL已被公认为是一种使用相当广泛的标准零件描述文件格式。但是,STL文件格式无法保存三维模型的颜色等信息,所以该文件格式无法在彩色三维打印系统中用于传输数据。而VRML作为诸多现存文件格式中一种,可以有效地保存三维模型的颜色等信息。根据这一特点,采用VRML文件格式作为新的数据接口,通过提取VRML中的颜色等信息,对三维实体模型进行彩色切片;并利用实验室自行开发的彩色三维打印系统,成功打印出彩色三维模型。

STL可视化过程中的若干数据处理研究

STL文件格式采用一系列三角面来表达三维实体模型,是快速成型领域描述三维实体模型的标准文件格式。通过研究STL文件格式的特点,以Visual C++6.0作为开发平台,结合OpenGL图形编程技术,成功实现STL三维模型的可视化。针对STL文件存在大量冗余数据及无几何拓扑关系等缺点,给出了相应的去冗余数据存储方法以及建立几何拓扑关系的解决方案;节省了存储空间,并为后续进行STL直接切片提供了良好的数据结构。

一种用于搅拌摩擦焊厚板焊接的新型搅拌头

针对厚板在搅拌摩擦焊接时下层金属焊接温度偏低、金属流动不畅、容易产生组织疏松或空洞,而上层金属因温度过高、流体压力过大而产生溢出和飞边等典型厚板焊接问题,从优化搅拌头结构的角度出发,设计出一种新型厚板焊接强力搅拌头。在焊接20mm高强度铝合金的实验中有效地消除飞边和空洞缺陷,获得了成功的应用。