隨著3D打印以及印刷電路的蓬勃發(fā)展，針對(duì)微流體噴射技術(shù)的研究成為熱點(diǎn)。對(duì)微流體噴?射的機(jī)理研究與應(yīng)用可明顯優(yōu)化噴涂效果。千眼狼高速攝像機(jī)在此過程中可助力液滴斷裂瞬間的捕捉以及微流體噴射液滴體積的精確調(diào)控。
 

　　液滴的斷裂是微流體噴射過程中一個(gè)重要階段，在日常生活中也隨處可見(如圖1漏水的水)。低流量下的水因表面張力的存在聚集成液滴，當(dāng)液滴聚集到一定程度時(shí)便會(huì)斷裂。然而懸掛的液滴為什么會(huì)斷裂呢？很多人第一時(shí)間會(huì)聯(lián)想到重力，但通過理論計(jì)算當(dāng)重力作為驅(qū)動(dòng)力的時(shí)候，斷裂時(shí)間趨于無窮大，這顯然不符合事實(shí)。其實(shí)液滴的快速斷裂同樣要?dú)w結(jié)于表面張力。液滴的斷裂過程雖然簡單，卻包含豐富的物理規(guī)律，不tong性質(zhì)的流體斷裂過程也各不相同，因此我們對(duì)其進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)探析深層機(jī)理。
 

圖1 漏水的水
 

　　研究液滴斷裂中我們關(guān)注的特征變量分別為小直徑Dmin，接觸角θ及液滴長度L(見圖2)。圖3為拍攝牛頓流體液滴的形成過程實(shí)驗(yàn)(采用以上拍攝采用千眼狼5KF20(1920×1080@3000 fps)高速攝像機(jī))。可以看出液滴的形成大致可以分為兩個(gè)階段：液體的聚集和液滴的斷裂。在聚集階段，隨著液量的逐漸增多，液滴逐漸從半球狀轉(zhuǎn)化為類球狀，接觸角θ先變小后略微變大，液滴長度L增大，此時(shí)重力和慣性力為驅(qū)動(dòng)力，而表面張力為反向力；在液滴的斷裂階段，液體聚集已到達(dá)某一臨界值，即重力和慣性力克服表面張力，此時(shí)表面張力為驅(qū)動(dòng)力使得液滴快速斷裂，接觸角θ增大、Dmin減小、L增大。實(shí)際的液體都具有粘性，粘性力能夠減緩液滴的斷裂。圖4為高粘流體液滴的斷裂過程，可以看出在液滴斷裂時(shí)，液滴長度L遠(yuǎn)大于圖3中低粘流體。除了流體的粘性，對(duì)于非牛頓流體來說，流變性、粘彈性、顆粒物等都會(huì)影響液滴的形成過程，相關(guān)的研究在高速攝像機(jī)的助推下得以更加廣泛的展開中。
 

圖2 液滴形成過程的描述
 

圖3 液滴形成過程
 

圖4 高粘流體液滴的形成過程
 

　　除研究液滴的斷裂這一局部現(xiàn)象外，在微流體噴射的全局研究中，高速攝像機(jī)亦有重要應(yīng)用價(jià)值。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，對(duì)噴射所得液滴體積的精確調(diào)控將直接關(guān)系產(chǎn)品品質(zhì)的高低，所以研究各輸入?yún)?shù)與液滴體積的相關(guān)性就顯得尤為重要，而這一切的前提是對(duì)液滴體積的精確捕捉。
 

　　目前無論是采用壓電驅(qū)動(dòng)式、熱驅(qū)動(dòng)式亦或是電流體噴射方法通常采用CCD相機(jī)配合頻閃燈的方法來捕捉液滴，這種方法在穩(wěn)定噴的前提下可以拍到幀率*的照片(可達(dá)百萬幀率)。但受限于照片是通過同一相對(duì)時(shí)刻數(shù)百次曝光疊加而成，無法得到精確的液體邊界的圖像，客觀造成不可忽略的實(shí)驗(yàn)誤差。在亞穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)下，這種局限性就變得尤為突出。而CMOS高速攝像機(jī)因其拍攝原理不同，可直接將圖像半導(dǎo)體產(chǎn)生的光電信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，處理速度極快，縱使頻率無法達(dá)到前者的高度，但在足夠短的曝光時(shí)間可捕捉到更加明晰的液體邊界，且支持亞穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)下拍攝。CCD相機(jī)與千眼狼高速攝像機(jī)采集到的液體邊界圖對(duì)比如下(如圖5)。
 

圖5 兩者對(duì)比(左CCD配合頻閃、右千眼狼高速攝像機(jī))
 

　　作為一種高效精確的微小體積流體分配技術(shù)，微流體噴射技術(shù)未來的研究方向是數(shù)字化、質(zhì)量的精準(zhǔn)匹配，以及新型的微流體驅(qū)動(dòng)方式，高速攝像機(jī)憑借超高的時(shí)空分辨率將成為科研人員實(shí)驗(yàn)裝置*的一環(huán)。(作者華中科技大學(xué)：潘小龍)