界面属性与几何参数对受限通道中铁磁流体泵送行为影响机制的研究

《Langmuir》：Research on the Influence Mechanism of Interface Properties and Geometric Parameters on Ferrofluid Pumping Behavior in Confined Channels

　　

摘要

铁磁流体泵通过外部磁场控制铁磁流体的形态和空间分布，实现了非接触驱动，并将磁能转换为流体力能，因此在微流控系统中具有潜在的应用价值。然而，受限空间内的界面摩擦、泵腔尺寸效应以及铁磁流体填充量对泵送行为的影响机制尚不清楚。为了解决这些问题，构建了一个可变参数的磁驱动铁磁流体泵实验平台，以研究界面润湿性、泵腔几何形状和初始填充角度对泵送行为的影响。实验结果表明，初始填充角度通过改变有效磁驱动体积来影响泵送性能。在低速范围内（1–30 rpm），不同填充角度下的流量差异较小。在10 cm H?O的背压下，40°的填充角度可使启动速度提高到约10 rpm。在中速范围内（40–80 rpm），流量呈现出50°>45°>40°的规律，系统具有最佳的填充范围（45°–50°）。界面润湿性通过改变铁磁流体的空间结构来调节摩擦行为：在PMMA表面上形成连续的液膜，使流量达到约3500 μL/min；在玻璃表面上形成离散的液滴结构，流量降至约1900 μL/min（约为PMMA的54%）；PC表面则呈现液膜-液滴混合状态，在泵送效率与结构稳定性之间实现了平衡。几何尺寸通过改变磁驱动扭矩和界面约束强度来影响泵送性能：14 mm的泵腔无法建立有效的压力差，24 mm的泵腔在低速下可使流量提高约20%–40%，但在约700 rpm时失效；而19 mm的泵腔在约800 rpm时仍能保持流量。本研究揭示了界面结构稳定性、有效磁驱动体积和能量耗散之间的耦合机制，为微尺度热管理、生物微流控以及其他受限空间磁驱动传输系统提供了控制设计策略。

? 2026 美国化学学会