纳米石墨片微粉喷射成型工艺数值模拟

纳米石墨片微粉喷射成型工艺数值模拟
吴海华;郭辉;熊盼
【摘要】微粉喷射成型法具有成型效率高、对微粉落点精确可控等优点,有望成为纳米石墨片器件制备新方法.文章利用计算流体力学分析软件对纳米石墨片微喷射成型过程中的射流流场进行数值模拟分析,对比研究了入口压力、喷射距离、送粉量等工艺参数对纳米石墨片微粒加速行为的影响,揭示了纳米石墨片在基体中分布规律.结果表明:入口压力和喷射距离越大,粒子在基体上分布范围越大,而送粉量对粒子的分布范围没有实质性影响,并通过实例验证了微喷射成型工艺的可行性.
【期刊名称】《制造技术与机床》
【年(卷),期】2016(000)001
【总页数】6页(P121-126)
【关键词】纳米石墨片;微粉喷射成型;数值模拟;分布规律
【作者】吴海华;郭辉;熊盼
【作者单位】三峡大学机械与动力学院,湖北宜昌443002;三峡大学机械与动力学院,湖北宜昌443002;三峡大学机械与动力学院,湖北宜昌443002
【正文语种】中文
【中图分类】TB44
纳米石墨片因具有超高的比表面积和良好的电导率，在导电材料、抗静电材料、电磁屏蔽材料、微波吸收等领域获得广泛应用。

通常纳米石墨片是由单层碳原子平面结构石墨烯堆垛而成两维纳米材料，其厚度小于50 nm，片层层数在10～50层
之间，与石墨烯相比，更易分散成型，己引起广大科研工作者高度关注。

然而，采用传统的制备方法如熔融混合、机械混合、溶液混合和原位聚合等工艺方法时由于难以控制纳米石墨片分布范围及分散效果，因而难以保证纳米石墨片复合材料的导电导热等性能的稳定性，无法制备纳米石墨片元器件。

微粉喷射成型法是基于冷喷涂的基本原理而提出的一种微粉成型新方法，具有成型效率高、对微粉落点精确可控等优点，本文拟将其应用于纳米石墨片复杂元器件制备。

在微粉喷射成型过程中，由于被喷射材料的体积加载率要远小于10%，其射流流场通常为超音速气固两相流场。

此外，由于受到喷嘴结构、入口压力、喷射距离、送粉量、气体温度、微粒粒径大小等多种工艺参数的影响，因此如何有效地控制微粒分布范围及微粒喷射速度是关键技术难点。

当前采取实验方法进行研究存在较大困难，更多的研究者通过选用计算流体力学(CFD)分析软件Fluent对其进行数值模拟分析 [1-2] 。

西安交通大学的李文亚、李长久等通过研究喷管的膨胀比、粒子尺寸、加速气体的类型、入口压力和温度对于粒子加速行为的影响，对喷管的结构进行优化设计，得出喷管总长度小于70 mm为比较理想的状态[3] 。

大连理工大学李芳针对矩形喷管、圆形喷管、椭圆形喷管3种不同的喷管进行对比研究，综合对比3种喷管的有效喷涂面积、均匀程度涂层的质量以及喷涂强度及喷涂效率，得出结论为椭圆形喷管更具有优势，并进一步深入探究椭圆形喷嘴超音速冲击射流流场中的速度、温度和压力的分布、得出冲击射流中激波的位置和基板的最佳位置[4] 。

T.H.VanSteenkiste等人模拟喷涂压力为2 MPa 和喷涂温度为700 K时，铜颗粒的加速特点，并得出颗粒速度随位置变化的规律[5]。

Tien-Chien Jen等，研究了直径在100 nm～50 μm之间的CU粒子和PT粒子的加速过程，并指出弓形激波的存在对直径较小粒子的沉积是不利的[6]。

H.Tabbare等研究了喷管横截面的形状、粒子大小、负载气体的种类对冷粒子分散效果和速度波动的影响，进而对喷
涂工艺过程进行优化[7]。

王以飞等人模拟了冷喷涂材料改性研究中超音速冲击射
流流场，为冷喷涂实验提供了相应的参考依据[8] 。

张文涛等研究羟基磷灰石粉体喷涂过程中，不同喷涂距离、喷管出口半径、喷管喉部半径和入口压力对气固两相流场中气相轴线速度和颗粒速度的影响[9] 。

计算流体力学(CFD)的快速发展为更深入地研究气固/气液两相流提供了技术基础，随着时间的推移，国内外对于气固/气液两相流的研究取得了较大的进步，但对于
气固两相流，尤其是非金属粒子在气体内的流动还有待进一步的研究。

为了实现纳米石墨片器件微喷射成型新工艺，本文以纳米石墨片为喷射对象，通过选用计算流体力学分析软件对微喷射成型工艺中的气固两相超音速射流流场进行数值模拟分析，研究入口压力、喷射距离、送粉量等因素对微粒分布范围及喷射速度的影响，为获得合理工艺参数提供了参考依据，最后通过实例验证了该工艺的可行性。

微粉喷射成型法整个计算区域由拉伐尔喷管、直管段、自由射流区、基体组成。

整个区域可以简化为二维轴对称模型，取其一半进行建模。

喷管出口至基体的距离为变量，以L表示。

为了减小边界条件对计算结果的影响，本模型在喷嘴出口的左
边取半径为100 mm的计算区域，见图1。

整个计算区域采用分区划分网格的方法，运用非均匀结构化网格划分，并通过采用不同的网格密度检验了网格无关性，共得到39 520个网格，整个计算区域的网格图，见图2。

计算模型的各种初始条件如下:
气相——理想气体，喷管出口温度为300 K，出口压力为101 325 Pa。

纳米石墨片介质属性及初如条件见表1。

模拟实验安排见表2。

对微喷射成型工艺中的气固两相超音速射流流场进行数值模拟分析的方法主要有欧拉-欧拉、欧拉-拉格朗日、拉格朗日-拉格朗日3种方法。

这3种方法分别与拟流
体模型、颗粒轨道模型、流体拟颗粒模型对应。

本文假设纳米石墨片体积分数小于
10%，故可以采用欧拉-拉格朗日方法，即Fluent中的拉格朗日离散相模型进行数值求解，用欧拉-拉格朗日方法描述气固两相流。

可压缩气体视为连续相，纳米石
墨片为离散相。

固体颗粒按离散相处理，不考虑颗粒-颗粒之间的作用而且连续相
不受离散相影响，运用非耦合方法迭代求解，即分两步进行：(1)首先采用SIMPLEC算法来计算连续相流场，然后计算粒子轨迹。

本文所用载气为理想气体，喷管入口温度为300 K，出口压力为101 325 Pa，湍流采用标准的K-E模型，近壁区用标准的壁面函数法。

离散格式为一阶迎风格式。

压力与速度的耦合采用SIMPLEC 算法。

(2)颗粒类型为惯性颗粒，使用随机轨道模型模拟颗粒湍流扩散，计算纳米石墨片颗粒轨迹，为捕捉粒子在基体上的分布情况，基体对于离散相壁面条件设置为trap，粒子入口初始速度为50 m/s，初始温度为300 K。

在入口压力P=0.6 MPa，喷射距离L=20 mm、送粉量m=0.000 1 kg/s时计算
得到气相速度等值线图和纳米石墨片颗粒轨迹图，见图3和图4。

从图3和图4中可以看出气体经喷管入口进入后，在喷管喉部加速达到音速为
407 m/s左右，之后经由扩张段加速最高达到904 m/s实现超音速流动，整个喷
管流场中为跨声速流动。

喷管出口处由于基体的存在，对基体前的超音速流场有着一定的影响，板前激波的出现，导致射流速度出现下降，速度降为588 m/s左右，但仍然属于超声速气流。

加入纳米石墨片颗粒之后，颗粒轨迹显示，粒子流表现出较好的汇聚性，说明颗粒经由气相得到较好的加速，对于颗粒的沉积、均匀程度涂层的质量都是有利的。

保持喷射距离L=20 mm、送粉量m=0.000 1 kg/s，温度为300 K，得到了入口压力分别为P=0.4 MPa/0.6 MPa/0.8 MPa时，粒子速度曲线图和粒子在基体上
分布半径r与速度v的关系图，见图5和图6。

从图5曲线可以看出，在0～0.025 m段粒子速度急剧提高，且在不同入口压力下加速过程保持了较好的一致性，速度均达到了700 m/s，实现超音速流动。

进入
直管段后，粒子速度均存在着一定幅度的波动。

入口压力为P=0.4 MPa时，粒子波动幅度较小，入口压力为P=0.6 MPa/0.8 MPa时，粒子速度波动幅度明显较大，达到200 m/s左右，这是因为入口压力越大，气流出现湍流越严重，粒子速度越
不平稳。

在距离喷管入口处0.075 m处为自由射流区，粒子速度波动幅度加大，
均呈下将趋势，这是因为喷管出口处有激波的产生。

其中入口压力为P=0.4 MPa 时，粒子速度急剧下降，而入口压力为P=0.6 MPa\0.8 MPa时，粒子速度却较平稳，最后在基体处降为零，这与基体的壁面边界条件设置是相符的。

说明入口压力越大，对于粒子进入射流区域后速度的保持越有利，同样也有利于纳米石墨片微喷射成型。

由图6可以看到，在喷管结构、喷射距离、送粉量大小等条件相同的情况下，距
离喷管轴心越近处，粒子速度越大，进入自由射流区后，随着粒子速度的降低，粒子在基体上的分布范围也逐渐增大，是随着入口压力的增大而增大的，入口压力
P=0.4 MPa时，粒子分布范围最大半径为0.001 35 m左右，而入口压力为
P=0.8 MPa则达到了0.001 55 m，说明入口压力对于粒子在基体上的分布范围存在较大影响，在纳米石墨片微粉喷射成型过程中可以按需选择合适的入口压力(粒
子在基体上的分布范围的大小，以喷管轴心为中心点，粒子在基体上分布的位置到中心点的距离r来表征)。

保持入口压力P=0.6 MPa，送粉量m=0.000 1 kg/s，温度为300 K，得到了喷
射距离分别为L=10 mm\20 mm\30 mm时，粒子速度曲线图和粒子在基体上分布半径r与速度v的关系图，见图7和图8。

从图7可以看出，在喷管结构、入口压力、送粉量大小相同的条件下，粒子在喷
管内0～0.025 m段的加速过程比较一致，达到800 m/s左右。

进入直管段后，
粒子速度出现一定幅度的波动，但总体比较均匀。

喷射距离L=10 mm时，粒子
在直管段内的波动较L=20 mm\30 mm时要明显，这是因为喷管出口距离基板太
近，对喷管内气流造成影响。

进入自由射流区后，粒子速度均出现下降，但是喷射距离L=30 mm粒子速度下降最快，且在距离入口0.085 m处出现第二次上升，
是因为在基板前产生明显的弓形激波，导致粒子速度的波动，见图8。

而喷射距离为L=10 mm\20 mm时，粒子速度虽然同样出现下降，但是在自由射流区依然得到了一定程度的维持。

从图9可以看出，在喷管结构、入口压力、送粉量大小等条件相同的情况下粒子
在基体上的分布范围随着喷射距离的增大而增大，这与理论上喷射距离的变化对粒子分布范围的影响规律是一致的。

此外，当喷射距离L=10 mm\20 mm，粒子在基体上的分布范围并没有很大区别，但当L=30 mm时，粒子在基体上的分布范
围明显增大，最大半径为0.002 35 m左右，且粒子速度只有75 m/s。

这是因为
喷射距离增大时，由于板前弓形激波的影响，粒子速度不能得到很好的保持，当粒子速度低于其临界速度时，粒子将不能在基体上沉积，这对于微喷射成型是不利的。

因此，选择合理的喷射距离至关需要。

保持喷射距离L=20 mm，入口压力P=0.6 MPa，温度为300 K，得到了送粉量
分别为m=0.000 1 kg/s\0.000 3 kg/s\0.000 5 kg/s时，粒子在基体上分布半径
r与速度v的关系图，见图10。

由图10可以看出，在喷管结构、入口压力、喷射距离一致时，气相速度的一致性，决定了粒子在到达基体时速度大致相同为250 m/s。

送粉量的大小对粒子在基体
上的分布范围并没有特别大的影响，至于其对喷射成型区域内粒子浓度的影响规律，理论上来说，在分布范围大致相同的情况下，送粉量越大，粒子浓度越大，后续还有待继续分析。

实验部分采用微粉喷射成型的方法制备了导电涂层，并进行了性能检测，以验证纳米石墨片微粉喷射成型工艺方法的可行性。

实验所用装置为自行研制的用于纳米石墨片微粉喷射成型的实验系统。

所用实验材
料主要有：纳米石墨片、0.4 mm厚铁板、酚醛树脂、耐高温分离膜等，纳米石墨片属性见表1。

实验前为了保证纳米石墨片具有较好的流动性，同时也为了防止其堵塞喷管，将纳米石墨片在50 ℃烘箱内烘干60 min，然后取出密封保存待用。

实验时，先在50 mm×50 mm大小的铁板上切割出10 mm×10 mm长条状沟槽，然后将铁板置于耐高温分离膜上，固定；用酚醛树脂在沟槽内形成0.2 mm厚的
薄膜，用刀片刮平，置于烘箱内在55℃条件下烘干40 min，取出后固定在微喷射成型的实验台之上，开始纳米石墨片的微粉喷射成型，成型时所用条件为：入口压力P=0.6 MPa，送粉量m=0.000 1 kg/s，温度为300 K，喷射距离L=20 mm。

然后将得到的实验样品取出，经过相应的后处理后采用四探针测试仪在不同测试点对其进行性能检测，获得了不同测试点相应的电导率，检测结果见表3。

从表3和图11可以看出，利用微粉喷射成型的方法可以将纳米石墨片粒子嵌入经处理后的酚醛树脂薄膜内，所获得的纳米石墨片复合材料导电涂层其导电性能比较稳定。

有效验证了微粉喷射成型工艺方法的可行性及自主研发的用于纳米石墨片微粉喷射成型的实验系统的可靠性。

后续有望采用微粉喷射成形的方法制备复杂纳米石墨片元器件。

(1)入口压力对粒子速度和粒子在基体上的分布范围存在一定的影响，压力越大，
粒子进入射流区域后
速度越平稳，粒子在基体上的分布范围越大。

(2)喷射距离对粒子速度和在基体上的分布存在较大影响，3种喷射距离以L=20 mm时最优，L=30 mm时最差。

(3)送粉量大小对于纳米石墨片粒子的分布范围并没有实质性的影响。

(4)结合超音速气固两相射流流场的模拟结果进行实例验证，在入口压力P=0.6 MPa，送粉量m=0.000 1 kg/s，温度为300 K，喷射距离L=20 mm条件下，得到实验样品经检测其厚度为0.38 mm，不同测试点的电导率分别为0.0476
/0.0516/0.0528/0.0520/0.0498 S/cm,有效地验证了微粉喷射成型法工艺的可行性。