面向快响应/大流量液冷型微泵的磁控SMP复合薄膜研究

Based on the rapid cooling of aerospace electronics in our country, this project focuses on the design optimization of large deformation / fast response pump membrane and its multi-field coupled nonlinear deformation dynamic analysis. In order to meet the requirements of large flow rate / fast response liquid-cooled micro-pump, the oriented Fe3O4 nano-chain / shape memory polymer (SMP) composite film was introduced and the design scheme of magnetization rapid driving and SMP large deformation was proposed. Research methods, design and preparation of micro-pump prototype. The main contents are as follows: (1) The dynamic multi-field coupled nonlinear dynamics model of magnetron composite film in electric field, magnetic field and temperature field is established to reveal the influence mechanism of external excitation, nonlinear characteristics and structure size on the composite film. (2) To study the influence mechanism of the microstructure of the composite film on the macroscopic properties of the film, such as the chemical structure of the composite film and the orientation of the Fe3O4 nanochain, and to obtain the experimental parameters that affect the large deformation and rapid response of the composite film. (3) Valveless micro-pump prototype to overcome the design challenges of liquid-cooled micro-pump with fast response and high flow. The implementation of this project will provide valuable basic theory and key technologies for the design and application of liquid-cooled micro-pump for aerospace electronic equipment.

本项目以我国航空航天电子设备快速降温为背景，围绕大变形/快响应泵膜的设计优化及其多场耦合非线性变形动力学分析展开研究。针对大流量/快响应液冷型微泵的要求，引入有取向Fe3O4纳米链/形状记忆聚合物(SMP)复合薄膜，提出采用磁控快速驱动与SMP大变形的设计方案，通过理论结合实验的研究方法，设计并制备微泵样机。具体研究内容如下：(1)建立磁控复合薄膜在电场、磁场与温度场中的动态多场耦合非线性动力学模型，揭示外界激励、非线性特征和结构尺寸等对复合薄膜的影响机理；(2)研究复合薄膜的化学结构、Fe3O4纳米链的取向等微观结构对薄膜宏观性能的影响机制，获取影响复合薄膜大变形与快响应的实验参数；(3)设计并研制可与PCB板集成的无阀微泵样机，攻克具有快响应与大流量的液冷型微泵技术设计难题。本项目的实施将为航空航天电子设备液冷用新型微泵的设计与应用提供有价值的基础理论和关键技术。

航空航天电子装备具有轻量化和紧凑化的特点，现有微泵已无法满足其小体积、大流量、驱动能量低、响应速度快和可与电子设备集成的要求。为此，本项目采用具有大变形特性的形状记忆聚合物（SMP）为基体，有取向Fe3O4纳米链填充SMP制备快响应/大变形的磁控SMP复合薄膜，并将复合薄膜加工成微泵泵膜，解决了目前航空航天电子设备用微泵的驱动能量高、泵流量小、响应速度慢等问题，有助于提高航空航天电子设备的可靠性，应用前景广阔。取得的具体研究成果包括：（1）针对磁控SMP复合薄膜的在多场耦合下的非线性变形的问题，开展了尺寸效应、多场耦合非线性力学以及组份材料的挠曲变形特性的研究，建立了可以定量描述和评估磁控形状记忆复合薄膜变形与相应的理论模型，预测了复合薄膜的机-电-热-磁耦合的耦合机制，揭示了外界电磁场以及材料组份对复合薄膜的非线性变形与应变梯度的影响规律；（2）针对高性能磁控SMP复合薄膜的设计、制备与表征问题，提出采用磁性诱导Fe3O4纳米链的取向，获得了具有高磁响应的磁性Fe3O4纳米链，通过调控形状记忆聚合物中材料组份的嵌段比，获得了具有大变形的SMP的分子链结构。结合取向Fe3O4纳米链与SMP的特性，得到了具有快响应/大变形的磁致SMP复合薄膜，实验研究了磁致SMP复合薄膜的性能，对理论结果进行了验证。（3）针对高性能微泵样机的加工与性能的问题，提出了将磁致SMP复合薄膜与硅基微加工整合的方案，制备了微泵样机。搭建了实验测试平台，对微泵的性能进行了实验测试，验证了项目的方案合理性。项目执行期间共发表相关学术论文9篇（均为SCI检索期刊论文），申请专利4项（授权1项），培养博士研究生2人（1名已毕业），硕士研究生5名（1名已毕业）。本项目的研究将为智能/功能材料在新型驱动器与多场耦合下的智能器件的开发与应用提供理论方法与技术参考。

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