抗高过载微流体惯性开关

基于微连通器结构,提出了一种使用盐水(Na Cl溶液)作为工作流体且具有高的抗过载能力的微流体惯性开关。分析了液滴的分离机理,设计了开关的流道结构。然后,对开关进行了理论分析,建立了开关模型。最后,利用流体动力学仿真和样机实验相结合的方法,对开关结构和功能进行了验证。验证结果显示:在幅值为30 000 g阶跃型加速度作用下,开关的工作流体仍未发生分离,加速度的幅值与开关响应时间相关。另外,开关样机能够使盐水液面形成高度差,样机的静态加速度阈值为134.6 g^152.3 g,非常接近其理论计算的加速度阈值142.7 g。得到的结果表明,采用的微连通器结构能够极大地增强微流体惯性开关的抗液体分离能力,能够对加速度幅值进行区分,并实现闭锁功能,同时显示了高的抗过载能力。

高阈值长脉宽响应的微流体惯性开关

为了实现智能武器电源管理,针对正常发射和勤务跌落两种典型的加速度信号,提出了一种高阈值长脉宽响应的微流体惯性开关。该开关主要由环形微通道和三级毛细阀组成,具有识别两种典型加速度的能力,并在正常发射后坐加速度的作用下实现可靠接通。首先,介绍了开关的设计概念及工作原理。然后,采用湿法刻蚀和磁控溅射金属技术制作了样机。最后,结合有限元仿真和样机实验验证了开关的功能。有限元仿真分析表明:该开关在幅值为12 000g,脉宽为300μs的勤务跌落载荷下保持断开,在幅值为20 000g,脉宽为4ms的后坐载荷下可靠接通,开关阈值为3 300g。实验结果表明:该开关在幅值为12 800g,脉宽为219μs的勤务跌落载荷下保持断开,开关的静态阈值为3 257.2g～3 317.3g,开关的理论阈值为3 590.9g,理论公式能较好地预测开关的阈值。

双向抗高过载微流体惯性开关

为实现微流体惯性开关在智能弹药引信系统中的应用,提出一种双向抗高过载微流体惯性开关,解决高冲击作用下由水银液滴分离造成的开关接触不稳定问题.基于微通道内水银液滴所受毛细力原理,设计蛇形缓冲通道与三级毛细阀结构.分析收缩型毛细阀与扩张型毛细阀中水银液滴的受力状态,建立矩形截面通道中水银液滴的静态阈值模型;采用用户定义函数(UDF)施加加速度载荷对开关进行有限元仿真.通过仿真分析可知,该惯性开关在典型正向勤务跌落载荷与典型反向勤务跌落载荷作用下,水银液滴可恢复至初始状态,不会产生液滴分离现象,表明开关具备可靠的抗高过载能力.采用两次离心试验完成微小水银液滴的制备与注液,对所制作的微流体开关样机进行Machete落锤冲击试验.试验结果表明:开关在典型正向冲击载荷与典型反向冲击载荷作用后,水银液滴未发生液滴分离现象,与仿真结果一致.

微流体惯性开关用磁流变液流动特性分析

针对目前微流体惯性开关流动电极材料单一、阈值较低且无法调节等问题,以磁流变液为流动液体,提出一种高g值,且阈值可调的微流体惯性开关。首先对磁场环境下磁流变液的阈值特性、速度分布和流动特性进行了理论建模和数值模拟,并对MRF-132AD磁流变液在矩形微通道中的流动特性进行有限元仿真。数值模拟和仿真结果表明:调控外加磁场可调节基于磁流变液的微流体惯性开关的阈值大小,且磁流变液的流速随着外加磁场的增大而变小,具有微阀功能,阈值可调范围为0～2 885 g_n,可用于高g值、宽阈值的微流体惯性器件。

刻蚀-相分离法表面疏液处理提升液态金属基微流体惯性开关阈值性能

液态金属基微流体惯性开关,因其集感控于一体而得到重点关注。在开关设计中,改变流体与微通道壁面的接触角可以实现开关阈值范围的调节,提高微流体惯性开关的灵敏性。面向镓铟锡合金基微流体惯性开关,研究通过刻蚀-相分离法对微流道基底(Polymethyl methacrylate,PMMA)进行表面超疏液改性,使PMMA表面同时发生化学刻蚀、相分离和SiO2沉淀过程,进而形成PMMA-SiO2的梯度粗糙表面。详细研究溶剂配置、成分配比和反应工艺参数对PMMA表面粗糙度的影响,并且开展超景深显微镜、扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)、原子力显微镜(Atomic force microscope,AFM)和红外光谱仪的表征,发现使用四氢呋喃和无水乙醇按1∶1比例配比,且加入15 mg/mL的二氧化硅时,能够得到更有利于PMMA疏液性的表面粗糙结构。最终,通过此表面改性方法,成功实现镓铟锡合金基微流体加速度开关阈值从52.54g改进到了28.62g,满足了原液态开关的设计要求。