基于COMSOL的空间调制电场诱导聚合物微纳米结构成型


    聚合物微纳米结构由于独特的物理和化学功能而受到越来越多的关注,可以广泛应用于微流控、有机光电子、生物检测等方面。在聚合物微纳米结构制造方法中,空间调制电场诱导聚合物流变成形技术由于在材料普适性、结构均匀性等方面的独特优势,获得了学术界的关注。“空间调制电场诱导聚合物流变成形”工艺采用结构化导电模板与涂覆有聚合物薄膜的导电衬底作为对电极,形成诱导模板/空气/聚合物/导电衬底的多层结构。电极对之间施加电压后,因模板结构的调制,在空气-聚合物界面处形成随空间位置变化的电场。这种“空间调制电场”产生的 Maxwell 应力张量驱动聚合物朝向诱导模板运动,形成具有一定形貌或尺寸的聚合物微纳米结构。 

    数值模拟:针对目前线性稳定分析方法在空间调制电场诱导聚合物流变成形方面的不适用性,本章兼顾微纳米尺度效应,建立了基于电流体动力学的两相流动力学模型,并从力学分析角度出发研究了聚合物在空间调制电场作用下的流动成形机理,探讨了成形过程中电场与聚合物流场间的耦合关系,深入理解空间调制电场诱导聚合物流变成形的本质原因。

    两相流动力学模型 :由于聚合物复形过程中诱导模板与导电衬底的固定性,聚合物诱导流变过程的动态演变可归结于外加电场作用下聚合物气液界面的动态追踪,在此,采用两相流模型描述气液界面形貌的演变状态。在描述空间调制电场诱导聚合物流变行为中,需要解决的关键问题为:(1)电场与流场的耦合,即电场如何对流场产生作用力,流场如何影响电场分布;(2)准确的追踪气液界面,即如何展现电场诱导聚合物流变成形的动态过程。为实现上述目标,两相流模型包括以下三个方面:(1)电场,即 Maxwell 方程,描述外加电压下聚合物与空气内部的空间调制电场分布;(2)流场,即 Navier-Stokes方程,描述流体(包含空气与聚合物)的流变状态;(3)相场,即 Cahn-Hilliard 方程,描述流体状态属性以及气液界面的运动过程。




    微纳尺度效应 :采用两相流动力学模型描述空间调制电场诱导聚合物流变复形过程需要引入尺度效应的影响在微纳尺度下,各种宏观状态下不明显的现象逐渐凸显出来,其中,最主要的几个尺度效应包括表面张力、气液固三相交界接触角、边界速度滑移以及黏度效应。





    


  验证微尺度效应



  

聚合物流变阶段




  

  强调制状态复形过程

调制.gif

  过调制状态复形过程(施加电压42V)

过调制.gif



  初始时刻气液界面电场力分布





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