压电雾化喷头的结构优化及应用研究

作     者：储成智 

作者单位：苏州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：汝长海

授予年度：2018年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：压电雾化喷头 结构优化 换能器 纳米银线 柔性透明导电薄膜 

摘      要：随着以半导体材料、微电子和光电子为代表的行业技术的快速发展,先进的薄膜制备技术作为生产优质半导体材料和微电子器件的一个重要基础,对这些行业技术的发展可以起到重要的推动作用。另一方面,压电雾化喷涂技术相比较于传统的薄膜涂覆技术具有均匀、高效、可控等诸多优势,这也为薄膜制备技术的进一步发展提供了新的方向。而压电雾化喷头作为压电雾化喷涂技术的核心元件,高性能压电雾化喷头的研制技术一直被国外所垄断,这对于振兴和发展国家民族工业极为不利。因此,掌握高性能压电雾化喷头的核心研制技术至关重要,对于国内薄膜涂覆领域及相关领域技术的发展意义深远。基于这一现状,本文设计了一款半波长夹心式结构的40k Hz的压电雾化喷头,该喷头具有驱动电压低、工作效率高、雾滴冲击柔和、雾化效果稳定、雾化均匀、涂覆利用率高等特点。通过对该喷头的的设计及应用,初步掌握了其关键性研制技术。在压电雾化喷头设计方面,本文结合压电雾化喷头中阶梯型变幅杆具有较大位移放大系数的特点及指数型变幅杆应力分布均匀的特点,本文拟将阶梯型带圆弧过渡段的指数型变幅杆方案应用于压电雾化喷头的设计中。利用压电喷头振动系统上各段边界条件,导出指定段的频率方程、谐振长度等参数的方程。根据频率方程及压电晶堆等参数推知谐振长度,得到压电喷头振动系统的有效结构参数。将理论设计中得到的压电喷头振动系统的结构模型在ANSYS有限元分析软件中进行模态分析和谐响应分析,得压电喷头振动系统谐振频率为39530Hz,驱动电压为26V时雾化面振幅为3.85μm。在压电雾化喷头性能测试方面,利用阻抗分析仪PV520A测得雾化喷头实际谐振频率为39920Hz,与理论设计频率相差不到1%;利用OFV-505/5000型高性能激光测振仪对压电雾化喷头雾化面振幅进行测量得到振幅测量值为3.6μm,与谐响应分析所得结果相差5%。对压电雾化喷头进行雾化试验,通过马尔文激光粒度仪对雾化结果进行统计分析,得驱动电压为26V时喷头雾化产生的雾滴直径在303μm之间所占比例达到62.98%,雾滴分布相对均匀。此外,本文设计的喷头的发热性不明显,也进一步验证了压电雾化喷头较高的工作效率和结构的合理性。在压电雾化喷涂的应用研究方面,将设计加工的压电雾化喷头应用于纳米银线柔性透明导电薄膜的制备。设计相应的压电雾化喷涂制备薄膜的工艺流程,并通过实验对比分析制备条件对纳米银线透明薄膜性能的影响,得到接近最优的纳米银线喷涂工艺参数。利用优化后的工艺参数制备了高性能的透明导电薄膜,所得薄膜具有良好的综合光电性能、均匀性和柔性。因此,压电雾化喷涂法应用于纳米银线透明导电薄膜的制备具有很高的应用价值。