微尺度下可控空化发生特性和空泡运动特性研究

微尺度下空化的发生对微流体系统功能的实现具有至关重要的影响。本项目采用反应刻蚀技术在硅基体上刻蚀加工微米尺度量级、具有特定结构的通道和表面几何结构，采用自组装技术和紫外照射对加工构件进行表面改性处理，制备具有特定分布的不同疏水/亲水区域特性的表面；采用表面粗糙度测试仪和原子力显微镜测试微构件的表面粗糙度，采用接触角测量仪测量不同流体在构件上的接触角，并计算表面能。组装空化特性测试实验台，通过计算机控制和图象检测研究具有节流口各种微通道流体运动的空化发生特性和不同特性表面空泡的运动特性，探索微通道的空化发生模式，阐明流体特性对空化的影响，实现空化空泡的定向运动和定点溃灭，以此构建微尺度下空化的基本理论，这一技术的实现对于空泡作为动力源的微泵等装置和用于药物传输及结石击碎等生物医学领域MEMS及其它复杂结构微流体MEMS具有重要意义。

按照项目的执行计划，该项目完成了以下工作：.(1) 采用反应刻蚀技术和激光加工技术在硅基底上构建了微结构，并结合自组装技术制备了超疏水表面；在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基底上加工微通道和文丘里管，确定加工的工艺条件和参数。此外，还采用激光加工等技术对轻金属基底超疏水表面的制备进行研究，为上述基底材料在微流体系统中的应用提供技术支持。.(2) 对采用不同方法制备的硅基超疏水表面及其它基底材料超疏水表面进行表征，阐述了制备的超疏水表面的适用模型。借助表面形貌测试，建立了微结构几何模型，定量分析超疏水表面的形成条件，可为不同基底材料超疏水表面的制备提供参考。.(3) 搭建了激光生成空泡与空泡在文丘里管微通道运动特性测试系统、热作用生成空泡及空泡与不同特性表面相互作用测试系统。在激光生成空泡系统中，研究了激光产生空泡的工艺参数，测试了不同进口压力、流速对空泡运动特性的影响，并结合数值模拟研究了空泡溃灭发生的条件，实现了空泡的运动控制和定点溃灭；在热作用生成空泡系统中，研究了空泡生成的影响因素、空泡形核与生长过程、空泡与壁面的相互作用，探索了空泡的有效利用途径。其中空泡与不同表面特性材料间的相互作用，对防止空化空泡的损伤有参考价值。.(4) 将流体速度变量引入Rayleigh-Plesset-Keller-Kolodner方程，计算分析空化流场中单个空泡的最大生长率、空泡内压力脉冲等特性；采用流体动力学, 模拟文丘里管内整个流场特性，分析文丘里管内单个空泡动力学特性与流场特性之间的关系。同时，采用分子动力学模拟的方法研究空泡的生长、演变与溃灭的影响因素与规律，探索不同尺度研究方法间的相关性。.(5) 通过理论分析和实验研究，研究微尺度下空化发生特性，综合分析空泡运动的影响因素，包括表面粗糙度、表面能（接触角）、流场特性、粘滞力等，为空泡定向运动和定点溃灭表面设计和空泡利用微器件的制备提供技术积累。上述研究对用于生物医药、环境监测等微流体系统的开发具有实际意义。.项目完成过程中发表学术论文（含已录用期刊）14篇，其中SCI检索4篇，EI检索9篇；毕业博士研究生2人，硕士研究生5人，申请发明专利2项，授权实用新型专利1项。.项目在以下方面有待深入：更小尺度下微通道的加工及空泡运动特性分析；复杂结构微通道中空泡的发生和运动特性评价；不同尺度数值模拟结果之间的相关性。