静电喷射用虚拟微发射极阵列的可控在线生成方法

To fabricate the high-density micro emitting pole array used in high-flowrate mode eletrospraying, a controllable online generation method of virtual micro emitting pole array is proposed. The virtual emitting pole array is online generated by real-time ultrasonic vibration instead of a real one. Furthermore, the density of the virtual emitting pole array can be adjusted by the ultrasonic vibration frequency. The geometry of the virtual emitting pole can be controlled by the ultrasonic vibration energy and the electric field exerted between the nozzle and the attractor. The geometric uniformity of emitting pole is improved by super hydrophilic treatment to the nozzle emitting surface. The research field of this project includes: ①The generation mechanism of the virtual emitting pole array by ultrasonic exciting; ② Control of the virtual emitting pole geometry; ③ Method to keep the virtual emitting pole array geometric uniformity; ④Adjustment of the virtual emitting pole array density; ⑤ Comparative study on the emitting mechanism of the virtual emitter array and the real emitter array; ⑥ Evaluation of the virtual emitting pole array emitting results. The novel emitting pole array generation method used in this project will benefit the application of eletrospraying in spacecraft propulsion, thin-film deposition and painting.

针对静电喷射用高密度微发射极阵列的加工难题，提出了采用超声激励在线生成虚拟微发射极阵列的新方法。其核心可描述为：发射极阵列的几何形态通过超声振动实时生成，不需要制备实体微发射极阵列；发射极阵列的密度可通过调节超声振动频率来控制；几何形态由超声振动能量和外电场共同决定；发射表面经超亲水表面处理可提高虚拟发射极阵列的几何一致性和推进剂的快速输运。本课题的具体内容包括：①超声激励虚拟发射极阵列在线生成的机理；②超声激励虚拟发射极阵列的几何形态控制；③超声激励虚拟发射极阵列几何一致性的保持方法；④ 超声激励虚拟发射极阵列的密度控制；⑤超声激励虚拟发射极阵列与实体发射极阵列发射机理的对比研究；⑥超声激励虚拟发射极阵列的发射效果评估。本项目另辟蹊径解决高密度微细发射极阵列的加工难题，为静电喷射技术在空间推进、薄膜制备、喷涂等领域的应用奠定基础。

针对空间电推进系统对高推力密度的需求，提出采用超声激励在线生成的虚拟微发射阵列作为静电喷射的发射极。当超声振动的频率达到MHz的时候，发射阵列的密度可以达到每平方厘米百万个。本项目完成了如下研究内容：⑴ 超声激励虚拟发射极阵列在线生成的机理； ⑵ 超声激励虚拟发射极阵列的几何形态控制；⑶ 超声激励虚拟发射极阵列几何一致性的保持方法；⑷ 超声激励虚拟发射极阵列的密度控制；⑸ 超声激励虚拟发射极阵列与实体发射极阵列发射机理的对比研究；⑹ 超声激励虚拟发射极阵列的发射效果评估。本项目建立了超声激励虚拟发射极阵列的计算模型并进行了实验研究，揭示了发射阵列的形成和稳定过程，观测到微细驻波发射阵列呈现规则的矩形阵列。进行了虚拟发射极阵列几何形态的模拟和实验研究，测量得到的25 kHz，60 kHz和120 kHz三个频率的波长分别为：102μm，60μm和37μm，与理论值进行一致。研究了对发射表面进行超亲水化处理的方法，以获得工作液在发射表面的快速、均匀分布，并提高虚拟发射极阵列的几何一致性。实验中喷嘴接触角测量值约为42.9度，表明此时具有较高浸润性，有利于发射表面形成微细驻波阵列。提出采用超声激励频率的改变来实现虚拟发射极阵列密度的控制；进行了2M级超声喷嘴的研制，在喷嘴表面获得了有一定分布规律的发射阵列，但不如低频振动时的规律明显，后续还需进一步研究。使用高速显微摄影系统拍摄到发射表面液滴从未引出到引出的过程后，得到了不同频率下的液滴尺寸特性，完成了对虚拟发射阵列的初步评估。液滴在不同频率下的尺寸分别为43.3 μm (120 kHz), 76.2μm (60 kHz)和101.4 μm (25 kHz)。本项目初步验证了采用超声振动形成的虚拟发射阵列作为高密度微细发射极阵列的可行性，为静电喷射技术在空间推进、薄膜制备、喷涂等领域的应用奠定了基础。