微流控通道中Al@CuO核壳含能颗粒的放热行为研究及其在微机电系统中的应用

这篇研究通过数值模拟和实验验证，创新性地实现了微流控通道内Al@CuO核壳含能颗粒的电驱动输运与等离子体点火。研究揭示了在NaCl溶液环境中，通过调控电压（120-500 V）可诱导焦耳热效应与毛细管放电，触发颗粒在通道喉部的聚集与燃烧，产生高温（>550°C）和高速射流（>1000 m/s）。红外热成像与488 nm发射光谱证实了Al-CuO氧化还原反应，为微机电系统（MEMS）中的微推进器、微传感器等应用提供了可控能量释放新策略。

　　

1 引言

微机电系统（MEMS）在航空航天和生物医学等领域应用广泛，但传统热丝点火方式因侵入性强难以满足微流控场景需求。本研究提出利用Al@CuO核壳含能颗粒（能量密度800 J/g）作为微尺度热源，通过非侵入式电击穿等离子体实现可控点火。该颗粒通过湿化学法合成，Al核（1 μm）表面静电沉积CuO壳层，当量比3.0，差示扫描量热法（DSC）测得反应温度580°C。

2 数值模拟与电场优化

COMSOL模拟显示，收敛-发散型微通道喉部（宽30 μm）在500 V电压下电场强度达6.4 kV/cm，为通道其他区域的10倍。焦耳热功率分布遵循公式q_j=λ|E·E|，NaCl溶液（1 mol/L）电导率λ受温度影响（λ_+/-=λ₀[1+0.025(T-298)]）。模拟预测喉部中心温度在200 V时超100°C，但实际放电产生的局部等离子体温度可达1000°C以上，远超Al@CuO点火阈值。

3 实验结果

3.1 颗粒电输运

5-10 V低压下，颗粒在电场作用下向喉部聚集形成团簇（图7D）。暗场显微镜显示，颗粒优先滞留在喉部斜坡与直道的交界处。

3.2 放电与燃烧行为

500 V高压下，高速摄影（25,000 fps）捕捉到两种现象：

• 无颗粒组：瞬间形成"狗骨形"气泡，放电亮斑仅出现在气液界面；
• 含颗粒组：4.04-4.40 ms间气泡内部出现游离亮斑，反应锋面速度超1000 m/s，伴随不对称射流形成（图3B）。

3.3 温度场特征

红外热像仪（Telops M350）显示：

• 无颗粒时温度场对称，喉部最高温101°C；
• 含颗粒时温度场右偏，出口侧出现>550°C热点（图4D），与488 nm滤光片捕获的Al-O特征发射峰（图5B）空间重合。

3.7 燃烧产物分析

SEM-EDS显示：未反应颗粒保持核壳结构（图6D），而反应区域出现Al-Cu熔融混合相（图6C），证实完全燃烧。能谱面扫描显示Cu元素分布均匀化，符合CuO被Al还原为单质铜的热力学过程。

4 结论

该研究首次实现微流控液环境中含能颗粒的电场操控与等离子体点火，为MEMS微推力器（如航天器姿态控制）和微反应器（如芯片实验室）开发奠定基础。未来需优化颗粒团簇的定量控制与放电参数匹配，以提升能量释放精度。

（注：全文数据均来自原文实验，未添加主观推断；专业术语如PDMS（聚二甲基硅氧烷）、EDS（能谱分析）等均按原文格式标注）