微尺度自愈式液态金属开关接触、分断与驱动特性研究
批准号:
52077172
项目类别:
面上项目
资助金额:
60.0 万元
负责人:
杨飞
依托单位:
学科分类:
高电压与放电
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
杨飞
中文摘要
本项目基于新能源、5G通讯、国防重大装备等领域对开关器件提出的共性基础问题,拟采用新思路开发液态金属开关新器件,有望解决开关放电领域的前沿问题。研究聚焦于微尺度自愈式液态金属开关的接触、分断与驱动特性。首先,通过实验测试结合热电磁耦合流体模型和流体不稳定性理论分析,获得载流条件下的液桥稳定性机理与接触失效临界判据,为开关通流与冲击电流耐受能力设计极限提供理论依据。其次,对照分断试验,建立热电磁耦合流体模型、分子动力学和蒙特卡洛粒子模型,揭示开关复杂相变与粒子输运机理,获得液滴自愈能力极限与尺寸效应,提出开关自愈能力和分断参数的设计依据。接着,通过电致润湿薄膜和驱动电极的制备与表征,结合液滴驱动实验与仿真,获得液滴的电致润湿驱动特性主要影响因素与尺寸效应,提出适合微尺度液态金属开关的驱动结构设计方案。最终,为能量密度高、开关比高、速度快、寿命长的微尺度自愈式液态金属开关研制提供理论基础。
英文摘要
Based on the common basic problems raised by switching devices in the fields of new energy, 5G communications, and national defense equipment, it is planned to adopt new ideas to develop new liquid metal switch devices, which are expected to solve the cutting-edge problems in the field of switching discharge. The research focuses on the contact, breaking and driving characteristics of micro-scale self-healing liquid metal switches. First, through experimental testing combined with thermo-electromagnetic coupling fluid model and theoretical analysis of fluid instability, the stability mechanism of liquid bridge and critical criterion of contact failure under current-carrying conditions are obtained, which provides the design limits for the capacity of switch flow and inrush current withstanding. Secondly, based on the breaking test, the thermo-electromagnetic coupling fluid model, molecular dynamics and Monte Carlo particle model are established to reveal the complex phase transition and particle transport mechanism of the switch, the limit and size effect of droplet self-healing ability are obtained, and the switch self-healing ability and the breaking parameters design are proposed. Then, through the preparation and characterization of electrowetting film and driving electrode, combined with droplet driving experiment and simulation, the main influencing factors and size effect of droplet electrowetting driving characteristics are obtained, and the driving structure suitable for microscale liquid metal switch is proposed. Finally, it provides a theoretical basis for the development of micro-scale self-healing liquid metal switches with high energy density, high switching ratio, fast speed and long duration.
传统机械式开关的固体触点中接触斑点的存在严重制约了开关设备的工作稳定性以及使用寿命。相关设备在一定程度上已经不能满足我国在5G户外基站供电系统、高脉冲电流电路板等高端装备技术上的需求。采用室温液态金属(镓铟锡合金)桥作为导电触点构建开关器件可从根本上消除固体导电斑点的影响。本项目基于流体动力学判据设计了微尺度液态金属桥结构,搭建了电磁驱动的液态金属桥电弧开断原理样机,并在手套箱系统中进行了电弧开断性能表征;针对液态金属桥电弧开断过程中的三种燃弧模式进行解析,结合实验和仿真的手段揭示了液桥拉伸破裂过程的物理机理、影响因素以及电弧开断模式的转变和流体动力学调控机理;针对液桥在闭合状态下的大电流耐受,搭建了冲击电流实验平台,采用仿真和实验对比的手段表征了液态金属桥在冲击电流作用下的流体动力学响应。从液桥内部流场的演化出发揭示了液桥收缩破裂的物理机理以及液桥电流耐受性能的调控手段;之后,基于前述研究结果设计了具有变截面毛细管导电结构的柔性液态金属开关样机。在空气中进行了电弧开断和冲击电流耐受性能测试并给出了相关的物理机理解释。项目还提出了基于电致润湿现象设计的液态金属MEMS开关设想,通过仿真确定了其结构参数,优化了薄膜制作工艺,进行了电致润湿实验验证了所设计结构能够满足预期性能要求。通过本项目的研究发现,液态金属桥电弧燃烧共有3种模式,其中模式二的速度最快,为同等条件下固体开关的20倍。均匀的圆柱形液桥和表面凸出的椭圆形液桥不会在发生收缩断裂,冲击电流耐受能力在10kA以上,超出商用微型继电器10倍以上。大电流时液桥电弧呈现单段电弧快速拉伸的特征,电弧伸长速度达到3.85m/s,液桥的冲击电流耐受能力在8kA左右。镓铟锡合金在电致润湿过程中接触角变化范围为157°~110°,接触角滞后约为35V。120V电压可使底面直径扩大60%,带来325μm接触线变化,证明了基于电致润湿制作液态金属开关的可行性。
空间环境大电流滚动电接触涂层长期服役劣化机制与合金体系设计研究
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批准号:51577144
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项目类别:面上项目
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资助金额:68.0万元
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批准年份:2015
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负责人:杨飞
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依托单位:
空间环境下滚动电接触热源及失效机理研究
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批准号:51307129
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:25.0万元
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批准年份:2013
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负责人:杨飞
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依托单位:
国内基金
海外基金