納米石墨片微粉噴射成型工藝數值模擬*

2016-08-31 09:01:33吳海華

制造技術與機床 2016年1期

吳海華　郭　輝　熊　盼

(三峽大學機械與動力學院，湖北宜昌 443002)

納米石墨片微粉噴射成型工藝數值模擬*

吳海華郭輝熊盼

(三峽大學機械與動力學院，湖北宜昌 443002)

微粉噴射成型法具有成型效率高、對微粉落點精確可控等優點，有望成為納米石墨片器件制備新方法。文章利用計算流體力學分析軟件對納米石墨片微噴射成型過程中的射流流場進行數值模擬分析，對比研究了入口壓力、噴射距離、送粉量等工藝參數對納米石墨片微粒加速行為的影響，揭示了納米石墨片在基體中分布規律。結果表明：入口壓力和噴射距離越大，粒子在基體上分布范圍越大，而送粉量對粒子的分布范圍沒有實質性影響，并通過實例驗證了微噴射成型工藝的可行性。

納米石墨片；微粉噴射成型；數值模擬；分布規律

納米石墨片因具有超高的比表面積和良好的電導率，在導電材料、抗靜電材料、電磁屏蔽材料、微波吸收等領域獲得廣泛應用。通常納米石墨片是由單層碳原子平面結構石墨烯堆垛而成兩維納米材料，其厚度小于50 nm，片層層數在10～50層之間，與石墨烯相比，更易分散成型，己引起廣大科研工作者高度關注。然而，采用傳統的制備方法如熔融混合、機械混合、溶液混合和原位聚合等工藝方法時由于難以控制納米石墨片分布范圍及分散效果，因而難以保證納米石墨片復合材料的導電導熱等性能的穩定性，無法制備納米石墨片元器件。

微粉噴射成型法是基于冷噴涂的基本原理而提出的一種微粉成型新方法，具有成型效率高、對微粉落點精確可控等優點，本文擬將其應用于納米石墨片復雜元器件制備。在微粉噴射成型過程中，由于被噴射材料的體積加載率要遠小于10%，其射流流場通常為超音速氣固兩相流場。此外，由于受到噴嘴結構、入口壓力、噴射距離、送粉量、氣體溫度、微粒粒徑大小等多種工藝參數的影響，因此如何有效地控制微粒分布范圍及微粒噴射速度是關鍵技術難點。當前采取實驗方法進行研究存在較大困難，更多的研究者通過選用計算流體力學(CFD)分析軟件Fluent對其進行數值模擬分析[1-2]。

西安交通大學的李文亞、李長久等通過研究噴管的膨脹比、粒子尺寸、加速氣體的類型、入口壓力和溫度對于粒子加速行為的影響，對噴管的結構進行優化設計，得出噴管總長度小于70 mm為比較理想的狀態[3]。大連理工大學李芳針對矩形噴管、圓形噴管、橢圓形噴管3種不同的噴管進行對比研究，綜合對比3種噴管的有效噴涂面積、均勻程度涂層的質量以及噴涂強度及噴涂效率，得出結論為橢圓形噴管更具有優勢，并進一步深入探究橢圓形噴嘴超音速沖擊射流流場中的速度、溫度和壓力的分布、得出沖擊射流中激波的位置和基板的最佳位置[4]。T.H.VanSteenkiste等人模擬噴涂壓力為2 MPa 和噴涂溫度為700 K時，銅顆粒的加速特點，并得出顆粒速度隨位置變化的規律[5]。Tien-Chien Jen等，研究了直徑在100 nm～50 μm之間的CU粒子和PT粒子的加速過程，并指出弓形激波的存在對直徑較小粒子的沉積是不利的[6]。 H.Tabbare等研究了噴管橫截面的形狀、粒子大小、負載氣體的種類對冷粒子分散效果和速度波動的影響，進而對噴涂工藝過程進行優化[7]。王以飛等人模擬了冷噴涂材料改性研究中超音速沖擊射流流場，為冷噴涂實驗提供了相應的參考依據[8]。張文濤等研究羥基磷灰石粉體噴涂過程中，不同噴涂距離、噴管出口半徑、噴管喉部半徑和入口壓力對氣固兩相流場中氣相軸線速度和顆粒速度的影響[9]。

計算流體力學(CFD)的快速發展為更深入地研究氣固/氣液兩相流提供了技術基礎，隨著時間的推移，國內外對于氣固/氣液兩相流的研究取得了較大的進步，但對于氣固兩相流，尤其是非金屬粒子在氣體內的流動還有待進一步的研究。為了實現納米石墨片器件微噴射成型新工藝，本文以納米石墨片為噴射對象，通過選用計算流體力學分析軟件對微噴射成型工藝中的氣固兩相超音速射流流場進行數值模擬分析，研究入口壓力、噴射距離、送粉量等因素對微粒分布范圍及噴射速度的影響，為獲得合理工藝參數提供了參考依據，最后通過實例驗證了該工藝的可行性。

1　初始條件

微粉噴射成型法整個計算區域由拉伐爾噴管、直管段、自由射流區、基體組成。整個區域可以簡化為二維軸對稱模型，取其一半進行建模。噴管出口至基體的距離為變量，以L表示。為了減小邊界條件對計算結果的影響，本模型在噴嘴出口的左邊取半徑為100 mm的計算區域，見圖1。整個計算區域采用分區劃分網格的方法，運用非均勻結構化網格劃分，并通過采用不同的網格密度檢驗了網格無關性，共得到39 520個網格，整個計算區域的網格圖，見圖2。

計算模型的各種初始條件如下:

氣相——理想氣體，噴管出口溫度為300 K，出口壓力為101 325 Pa。

納米石墨片介質屬性及初如條件見表1。

表1　納米石墨片屬性

模擬實驗安排見表2。

2　基本過程

對微噴射成型工藝中的氣固兩相超音速射流流場進行數值模擬分析的方法主要有歐拉-歐拉、歐拉-拉格朗日、拉格朗日-拉格朗日3種方法。這3種方法分別與擬流體模型、顆粒軌道模型、流體擬顆粒模型對應。本文假設納米石墨片體積分數小于10%，故可以采用歐拉-拉格朗日方法，即Fluent中的拉格朗日離散相模型進行數值求解，用歐拉-拉格朗日方法描述氣固兩相流。可壓縮氣體視為連續相，納米石墨片為離散相。固體顆粒按離散相處理，不考慮顆粒-顆粒之間的作用而且連續相不受離散相影響，運用非耦合方法迭代求解，即分兩步進行：(1)首先采用SIMPLEC算法來計算連續相流場，然后計算粒子軌跡。本文所用載氣為理想氣體，噴管入口溫度為300 K，出口壓力為101 325 Pa，湍流采用標準的K-E模型，近壁區用標準的壁面函數法。離散格式為一階迎風格式。壓力與速度的耦合采用SIMPLEC 算法。(2)顆粒類型為慣性顆粒，使用隨機軌道模型模擬顆粒湍流擴散，計算納米石墨片顆粒軌跡，為捕捉粒子在基體上的分布情況，基體對于離散相壁面條件設置為trap，粒子入口初始速度為50 m/s，初始溫度為300 K。

表2　模擬實驗方案

3　結果與討論

3.1氣相速度等值線圖和顆粒軌跡圖

在入口壓力P=0.6 MPa，噴射距離L=20 mm、送粉量m=0.000 1 kg/s時計算得到氣相速度等值線圖和納米石墨片顆粒軌跡圖，見圖3和圖4。

從圖3和圖4中可以看出氣體經噴管入口進入后，在噴管喉部加速達到音速為407 m/s左右，之后經由擴張段加速最高達到904 m/s實現超音速流動，整個噴管流場中為跨聲速流動。噴管出口處由于基體的存在，對基體前的超音速流場有著一定的影響，板前激波的出現，導致射流速度出現下降，速度降為588 m/s左右，但仍然屬于超聲速氣流。加入納米石墨片顆粒之后，顆粒軌跡顯示，粒子流表現出較好的匯聚性，說明顆粒經由氣相得到較好的加速，對于顆粒的沉積、均勻程度涂層的質量都是有利的。

3.2入口壓力對粒子速度和分布范圍的影響

保持噴射距離L=20 mm、送粉量m=0.000 1 kg/s，溫度為300 K，得到了入口壓力分別為P=0.4 MPa/0.6 MPa/0.8 MPa時，粒子速度曲線圖和粒子在基體上分布半徑r與速度v的關系圖，見圖5和圖6。

從圖5曲線可以看出，在0～0.025 m段粒子速度急劇提高，且在不同入口壓力下加速過程保持了較好的一致性，速度均達到了700 m/s，實現超音速流動。進入直管段后，粒子速度均存在著一定幅度的波動。入口壓力為P=0.4 MPa時，粒子波動幅度較小，入口壓力為P=0.6 MPa/0.8 MPa時，粒子速度波動幅度明顯較大，達到200 m/s左右，這是因為入口壓力越大，氣流出現湍流越嚴重，粒子速度越不平穩。在距離噴管入口處0.075 m處為自由射流區，粒子速度波動幅度加大，均呈下將趨勢，這是因為噴管出口處有激波的產生。其中入口壓力為P=0.4 MPa時，粒子速度急劇下降，而入口壓力為P=0.6 MPa

納米石墨片微粉噴射成型工藝數值模擬*

1 初始條件

2 基本過程

3 結果與討論

1　初始條件

2　基本過程

3　結果與討論