气溶胶粒子相有机物在线检测的空气动力学透镜-质子转移反应质谱装置研制

针对气溶胶粒子相有机物的在线检测分析,设计加工了一套空气动力学透镜进样系统。该进样系统主要由1个用于气相有机物去除的气相剥蚀模块、1个用于颗粒聚焦富集的空气动力学透镜模块和1个用于粒子相有机物提取的热解吸模块组成。气相剥蚀模块的气相有机物去除率可达98.89%,295~375 nm粒径范围内颗粒物的透过率为75.16%~91.15%。模拟结果表明,在所设计的空气动力学透镜中,0.36~6.0μm粒径范围内颗粒物的透过率可达90%以上。将本研究设计的进样系统与实验室自制的质子转移反应质谱仪联用,研制了1套空气动力学透镜-质子转移反应质谱装置,并通过模拟气溶胶样品(α-蒎烯和臭氧反应的产物)的检测,证实了该装置可实现亚微米至几微米级粒子相上有机物的在线检测。

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。

基于空气动力学透镜的线性聚焦3D打印送粉喷头设计与性能研究

提出一种基于“空气动力学透镜”的具有粉末线性聚焦功能的新型3D打印送粉喷头,可以使粉末流在喷头出口一定距离内均保持汇聚状态。设计了该新型喷头的内腔结构,建立了粉末颗粒在喷头中的汇聚运动模型,分析了颗粒运动的斯托克斯数S、空气动力学透镜第一节孔径df、孔径收缩率δ以及粉末进入喷头的入射角α对粉末颗粒聚焦性能的影响。研究结果表明:对于粒径为15~25μm的316L颗粒,该喷头可以将粉末颗粒聚焦成半径1.55 mm的粉末流,且在喷嘴外20 mm范围内均保持良好的汇聚状态;实验结果和计算结果基本一致。该新型空气动力学透镜3D打印送粉喷头的颗粒汇聚性能明显优于传统喷头,对于促进沉积增材制造的灵活性和适用性具有重要意义。

实时在线单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪的研制

针对大气气溶胶单颗粒粒径及成分同时检测的要求,自行研制了一台实时在线单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪,并对仪器各部分的原理和结构进行了描述。用实验室产生的标准气溶胶粒子对仪器进行粒径和质量数校正,同时考察激光能量对邻苯二甲酸二辛脂(DOP)气溶胶颗粒的打击效率及其谱图的影响。室内气溶胶颗粒采样证明了该仪器具有较高的同位素测量精度及质量分辨率。

单颗粒质谱仪进样装置的设计与模拟

目前,广泛采用空气动力学透镜-喷嘴作为单颗粒质谱仪的进样装置.针对大气环境污染物PM2.5的研究需要,对单颗粒质谱仪进样装置中空气动力学透镜-喷嘴（聚焦颗粒的空气动力学直径在0.3～3 μm范围内）进行优化设计,并选用Fluent软件对颗粒运动进行数值模拟.仿真结果表明：优化设计的进样装置对粒径0.3～3 μm范围的颗粒聚焦效果较好,在距离装置出口24 cm处的颗粒束宽在0.03 mm以内.因此,优化设计的进样装置能满足单颗粒质谱仪对PM2.5颗粒进样聚焦的要求.

单颗粒气溶胶质谱仪自动粒径校正方法

单颗粒气溶胶质谱仪通常采用空气动力学透镜进样,通过测量透镜出口每一个颗粒物的速度来推算颗粒物的空气动力学直径。然而,颗粒物速度受透镜前端压力的影响较大,该压力发生微小变化就会导致颗粒物粒径检测发生偏差。本研究提出一种适用于单颗粒气溶胶质谱仪的自动粒径校正方法,预先记录几组一定透镜前端压力范围内的粒径校准参数,然后根据进样压力的变化,使软件自动通过插值算法拟合相应的粒径校正方程对颗粒物粒径测量值进行校正,从而保证在指定的压力波动范围内粒径测量结果的准确性。实验结果表明,当透镜前端压力在164.92~352.45Pa范围变化时,该方法对于152~3 100nm颗粒物的测径偏差大部分都在10nm以内。模拟结果表明,该方法能够保证仪器在海拔8km范围内粒径测量的准确性,可以应用到所有采用空气动力学进样及激光颗粒物粒径测量的仪器中,能够极大地增加仪器对外界环境的适应性并提高数据结果的可靠性。