CN109667734A - 一种电热驱动微流体驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电热驱动微流体驱动器，包括：电热活性层和结构层，其特点在于所述电活性层由树脂基质、纳米颗粒、高热涨系数颗粒、低热涨系数颗粒和导体颗粒通过增材制造一次成型，所述电活性层由外到内一次为第一导电层、第一复合材料层、第二复合材料层、和第二导电层；所述结构层由树脂基质直接构成，所述述结构层上与电热活性层层合面一侧布置有腔体通过扩张口和收缩口与外部连通；由于整体结构采用多材料增材制造技术一次成型，这种功能结构一体化设计与成型的方法有助于流体驱动装置的微小型化和集成化，可有力的推动微小流体机械的发展。
Description
技术领域
本发明属于微小精密机械中的微流体机械领域，具体涉及一种电热驱动微流体驱动器。
背景技术
微流体驱动器广泛应用与检测分析仪器、芯片实验室及燃料电池等微小机电系统中，是其中的核心动力元件。随着新型功能材料和成型方法的出现，利用二者的结合形成新型的驱动器装置已经成为可能。目前利用纳米复合材料形成具有良好功能特性，利用改性纳米复合材料进一步与功能粒子复合，可以形成具有特殊性能的功能结构。与此同时，增材制造技术的进步，使得多相材料增材制造、多材料增材制造方法也得到了广泛的测试，在同一结构中布置不同物质以形成一体化制造的新型器件也已经成为可能。
发明内容
为了形成一种便于为小型化与结构功能一体化制造的微小流体驱动装置，采用多种粒子改性复合材料，基于多材料增材制造装置按需布置材料的技术方法，提出了一种电热驱动微流体驱动器，由树脂基质、纳米颗粒、高热涨系数颗粒、低热涨系数颗粒和导体颗粒等部分构成，按照特定的结构与分布方式一次成型无需装配过程，可实现交流电直接驱动。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一种电热驱动微流体驱动器，包括：电热活性层和结构层，其特点在于所述电活性层由树脂基质、纳米颗粒、高热涨系数颗粒、低热涨系数颗粒和导体颗粒通过增材制造一次成型，所述树脂基质为耐热性良好的有机材料，所述纳米颗粒为高耐热性且导热与导电性良好的材料，采用纳米材料改性后的复合材料不再是绝缘体；所述电活性层由外到内依次为第一导电层、第一复合材料层、第二复合材料层、和第二导电层；所述第一复合材料层内均匀分布有所述高热涨系数颗粒；所述第二复合材料层内均匀分布有所述低热涨系数颗粒；所述第一导电层和第二导电层中均都匀分布有导体颗粒，使得两导电层内部电阻远低于第一复合材料层和第二复合材料层；所述结构层由树脂基质直接构成，所述结构层上与电热活性层层合面一侧布置有腔体通过扩张口和收缩口与外部连通，所述扩张口的外侧出口截面面积小于与所述腔体交接面面积，所述收缩口外侧出口截面面积大于与所述腔体交接面面积。上述一体化结构通过多组分增材制造技术一次成型，或多材料分次注塑成型制造。
工作时，在第一导电层和第二导电层之间电压，驱动膜内部的第一复合材料层和第二复合材料层作为电阻材料在电压作用下发热，此时，电热驱动膜的第一复合材料层发生大幅度的受热膨胀，同时第二复合材料层几乎不发生变形，两层结构应变不同则发生弯曲变形，向第一复合材料层弯曲方向弯曲，腔体容积减小，内部压力增加，流体从所述扩张口和收缩口流出，由于角度不同，所述扩张口流出量小于所述收缩口处的流出量；在停止加热时，温度下降，发生与上述过程相反的变形，腔体容积增加，内部压力降低，流体从所述扩张口和收缩口流入，扩张口流入量大于收缩口的流入量，从而形成一个完整的工作循环，一个循环内流体总体从所述扩张口流入，从所述收缩口流出，形成了流体的定向输送能力。
附图说明
图1 是本发明一种电热驱动微流体驱动器的整体结构示意图。
图2 是本发明一种电热驱动微流体驱动器垂直过流方向的剖面示意图。
图3 是本发明一种电热驱动微流体驱动器水平面剖面示意图。
图4 是本发明一种电热驱动微流体驱动器中电活性层的结构示意图。
具体实施方式
参照图1、图2、图3和图4，本发明一种电热驱动微流体驱动器，包括：电热活性层1和结构层2，其特点在于所述电活性层由树脂基质11、纳米颗粒12、高热涨系数颗粒13、低热涨系数颗粒14和导体颗粒15通过增材制造一次成型，所述树脂基质11为耐热性良好的有机材料，所述纳米颗粒12为高耐热性且导热性与导电性良好的材料，所述电活性层1由外到内依次为第一导电层113、第一复合材料层111、第二复合材料层112、和第二导电层114；所述第一复合材料层111内均匀分布有所述高热涨系数颗粒13；所述第二复合材料层112内均匀分布有所述低热涨系数颗粒14；所述第一导电层111和第二导电层112中都均匀分布有导体颗粒15；所述结构层2由树脂基质11直接构成，所述述结构层2上与电热活性层1层合面一侧布置有腔体21通过扩张口22和收缩口23与外部连通，所述扩张口22的外侧出口截面面积小于与所述腔体21交接面面积，所述收缩口23外侧出口截面面积大于与所述腔体21交接面面积。整体结构采用多材料增材制造工艺一体化制造，从而实现结构功能一体化设计与制造。
工作时，在第一导电层和第二导电层之间施加电压，驱动膜内部的第一复合材料层和第二复合材料层作为电阻材料在电压作用下发热，此时，电热驱动膜的第一复合材料层发生大幅度的受热膨胀，同时第二复合材料层几乎不发生变形，两层结构应变不同则发生弯曲变形，向第一复合材料层方向弯曲，腔体容积减小，内部压力增加，流体从扩张口和收缩口流出，由于角度不同，扩张口流出量小于收缩口处的流出量；在停止加热时，温度下降，发生与上述过程相反的变形，腔体容积增加，内部压力降低，流体从扩张口和收缩口流入，扩张口流入量大于收缩口的流入量，从而形成一个完整的工作循环，一个循环内流体总体从所述扩张口流入，从收缩口流出，形成了流体的定向输送能力。
Claims (1)
1.一种电热驱动微流体驱动器，包括：电热活性层（1）和结构层（2），其特点在于所述电活性层（1）由树脂基质（11）、纳米颗粒（12）、高热涨系数颗粒（13）、低热涨系数颗粒（14）和导体颗粒（15）通过增材制造一次成型，所述树脂基质（11）为耐热性良好的有机材料，所述纳米颗粒（12）为高耐热性且导热性与导电性良好的材料，所述电活性层（1）由外到内依次为第一导电层（113）、第一复合材料层（111）、第二复合材料层（112）、和第二导电层（114）；所述第一复合材料层（111）内均匀分布有所述高热涨系数颗粒（13）；所述第二复合材料层（112）内均匀分布有所述低热涨系数颗粒（14）；所述第一导电层（111）和第二导电层（112）中均都匀分布有导体颗粒（15）；所述结构层（2）由树脂基质（11）直接构成，所述述结构层（2）上与电热活性层（1）结合一侧布置有腔体（21）通过扩张口（22）和收缩口（23）与外部连通，所述扩张口（22）的外侧出口截面面积小于与所述腔体（21）交接面面积，所述收缩口（23）外侧出口截面面积大于与所述腔体（21）交接面面积。
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