定向輸運技術的案例
北理工：磁場驅動微板陣列表面實現定向輸運
設計并驅動微納米結構表面實現物體的定向輸運在微電子、生物醫藥及防污自清潔等領域具有廣泛的應用前景。在這些應用領域中，提高定向輸運的速度能進一步提高輸運效率。此外，通過對微結構和驅動方式的創新性設計，實現對多種不同形狀的物體在不同環境中的定向輸運也具有重要意義。
近日，北京理工大學先進結構技術研究院陳少華教授課題組提出了一種通過磁場控制微結構表面快速輸運固體物塊的方法。該方法能夠對厘米級的固體物塊進行快速定向輸運，其輸運速率相對于已有文獻中的輸運速率有大幅度的提升。微結構表面主要由磁響應微板陣列結構和純PDMS基底組成，單個微板高度為950微米，厚度為150微米。該研究結合微尺度3D打印技術制備實驗樣件，所使用的3D打印設備（nanoArch S140，摩方精密）的光學精度為10μm，能實現94×52×45mm大小的三維加工尺寸。基于該設備加工了板狀微結構陣列，并通過倒模制備出含有磁顆粒的PDMS微結構試樣，然后通過磁場控制微結構的變形儲能以及能量的快速釋放，實現定向輸運的功能。該成果以“Directional Transportation on Microplate-Arrayed Surfaces Driven via a Magnetic Field”為題發表于國際期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。該工作由北京理工大學先進結構技術研究院李程浩博士作為第一作者完成。
展開 COMSOL淺談液滴的自輸運（定向運輸、自發運移）
一、引言
液滴自輸運（定向運輸、自發運移）是指液滴自主運動的現象，是微流控領域的一個熱門方向。其中“表面張力”就是一種導致液滴自輸運的重要因素，具體的其實是液滴表面形成“表面張力梯度”，也就是不均勻的表面張力，進而導致液滴的自輸運。而形成“表面張力梯度”的方法有很多，例如：1.由溫度梯度、物質濃度梯度引起的馬蘭戈尼效應形成的“表面張力梯度”；2.由接觸角（表面潤濕性）梯度形成的“表面張力梯度”；3.由曲率半徑差異形成的“表面張力梯度”。
基于COMSOL Mutiphysics，本文分別建立了“接觸角（表面潤濕性）梯度”和“曲率半徑差異”導致液滴自輸運現象的模型。其中對“接觸角（表面潤濕性）梯度”導致的液滴自輸運現象建立了二維和三維模型，“曲率半徑差異”導致液滴的自輸運現象的模型則是對參考文獻《錐形微通道內液滴自輸運特性及力學驅動機制研究》[1]所進行的基本復現。
二、“接觸角（表面潤濕性）梯度”導致的液滴自輸運
（一）二維模型
1.模型的建立
如圖1所示，建立二維模型。模型整體為寬8毫米、高2毫米的矩形，其中半圓部分為液滴，周圍為空氣。與液滴接觸的壁面設置成是梯度潤濕壁面，最左端接觸角為90度，最右端接觸角為70度。空氣和液滴所使用的材料物性參數直接調用COMSOL的內置材料Air和Water, liquid。
圖1
2.結果分析與討論
如圖2所示，為液滴在不同時刻的位置圖，黑白圖例顯示的是梯度潤濕面的接觸角大小。從圖中可以看出液滴向右發生了明顯的位移。
圖2
如圖3所示，為液滴與梯度潤濕面接觸的最右端接觸點的位移圖，用于表征液滴的位移情況。
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COMSOL淺談液滴的自輸運（定向運輸、自發運移）
作者：極度喜歡上課
一、引言
液滴自輸運（定向運輸、自發運移）是指液滴自主運動的現象，是微流控領域的一個熱門方向。其中“表面張力”就是一種導致液滴自輸運的重要因素，具體的其實是液滴表面形成“表面張力梯度”，也就是不均勻的表面張力，進而導致液滴的自輸運。而形成“表面張力梯度”的方法有很多，例如：1.由溫度梯度、物質濃度梯度引起的馬蘭戈尼效應形成的“表面張力梯度”；2.由接觸角（表面潤濕性）梯度形成的“表面張力梯度”；3.由曲率半徑差異形成的“表面張力梯度”。
基于COMSOL Mutiphysics，本文分別建立了“接觸角（表面潤濕性）梯度”和“曲率半徑差異”導致液滴自輸運現象的模型。其中對“接觸角（表面潤濕性）梯度”導致的液滴自輸運現象建立了二維和三維模型，“曲率半徑差異”導致液滴的自輸運現象的模型則是對參考文獻《錐形微通道內液滴自輸運特性及力學驅動機制研究》[1]所進行的基本復現。
二、“接觸角（表面潤濕性）梯度”導致的液滴自輸運
（一）二維模型
1.模型的建立
如圖1所示，建立二維模型。模型整體為寬8毫米、高2毫米的矩形，其中半圓部分為液滴，周圍為空氣。與液滴接觸的壁面設置成是梯度潤濕壁面，最左端接觸角為90度，最右端接觸角為70度。空氣和液滴所使用的材料物性參數直接調用COMSOL的內置材料Air和Water, liquid。
圖1
2.結果分析與討論
如圖2所示，為液滴在不同時刻的位置圖，黑白圖例顯示的是梯度潤濕面的接觸角大小。從圖中可以看出液滴向右發生了明顯的位移。
展開 定向井技術基礎
定向井概念
定向井就是使井眼軌跡沿著預先設計的井斜和方位鉆達目的層的鉆井方法。定向井技術是當今世界石油勘探開發領域最先進的鉆井技術之一，它是由特殊井下工具、測量儀器和工藝技術有效控制井眼軌跡，使鉆頭沿著特定方向鉆達地下預定目標的鉆井工藝技術。
采用定向井技術可以使地面和地下條件受到限制的油氣資源得到經濟、有效的開發，能夠大幅度提高油氣產量和降低鉆井成本，有利于保護自然環境，具有顯著的經濟效益和社會效益。
定向井類型
定向井主要包括定向井、叢式井、水平井、 大位移井、側鉆井、分支井、徑向水平井、小井眼井、柔性管鉆井及欠平衡壓力鉆井等。
定向井的優勢
1、盡可能挖掘各種油氣藏潛能，提高采收率；
2、減少布井數量，減少開發投資；
3、避免或減少開采過程中的井下復雜情況；
4、少占用土地，減小環境保護的壓力，提高勘探開發的總體經濟效益。
基本要素
描述定向井井身空間位置及形狀的方法 是對井眼進行測量，每個測點有 三個數據，即測深、井斜角、井斜方位角，我們稱這三項測量數 據為井身的基本要素。
1）測深(Measure depth)：井身軸線上任一點到井口的井身長度，稱為該點的測深，也稱為該點的測量斜深。通常用字母L表示，其測量單位是米或英尺。
2）井斜角(Hole inclination or Hole angle)：井測點處的井眼方向線（切線）與通過該點的重力線之間的夾角稱為該點處的井斜角。井眼方向線和重力線都是有向直線。通常用希臘字母α表示，其測量單位為度。
3）井斜方位角(Hole Direction)：是以正北方位線為始邊，順時針旋轉至井斜方位線所轉過的角度。通常以?表示，單位度。
展開 
研究 \\ 冷凍鑄造技術定向制備氮化硼復合隔熱氣凝膠材料
該團隊采用單向冷凍鑄造技術制備了各向異性氮化硼納米片(BNNs)/聚乙烯醇復合氣凝膠。與傳統SiO2或Al2O3基氣凝膠中相互連接的各向同性納米顆粒形成的開孔結構不同，二維BNNS可以將氣凝膠分隔成獨立的細胞，有效減少空氣傳導和對流，從而實現超低導熱。得益于BNNs排列的多孔結構，具有最佳BNNS含量的復合氣凝膠在具有20.3 W/mK的超低導熱系數。此外，BNNS還具有高的折射率，遠高于傳統的SiO2(~1.47)和Al2O3(~1.77)納米粒子。BNNS的折射率與聚合物基體(~1.5)的折射率大不相同，這使得入射光在BNNS/基體界面處有效散射，從而獲得高太陽反射率。該復合氣凝膠在整個太陽光波長上具有95.0%的反射率，在大氣透明窗口內具有93%以上的高發射率。這些理想的特性使它們成為建筑物被動熱管理和熱防護罩以及其他需要高太陽輻照度保護的應用的有希望的材料。研究成果以“Anisotropic thermally superinsulating boron nitride composite aerogel for building thermal management ”為題發表于《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》。
03
圖文導讀
表1.不同BNNs/PVA復合氣凝膠的PVA含量和物理性能。
圖1.BNNS/PVA復合氣凝膠的制備及微觀形貌研究。
圖2.BNNs的形態和化學組成。
圖3.BNNS/PVA氣凝膠的微觀結構。
圖4.復合氣凝膠的力學性能。
展開 一種用于定向垂直碳纖維基復合熱界面材料的制備技術
考慮各向異性CF的導熱性，取向是一種有效的策略要獲得高導熱性，目前定向的技術包括化學氣相沉積生長，磁場，三維(3D)打印，冷凍干燥，靜電紡絲和應力誘導等已經發展起來。然而，甚至在定向之后導熱系數仍然不理想，這可能是由于使用CF作為單獨的填料未能形成有效的熱傳導網絡。進一步添加額外的填充物是一種有效的策略。然而，大多數定向技術高度依賴于特定的儀器，難以大規模制備。因此開發出適合大規模生產的定向技術是非常重要的。
02
成果掠影
近期，河北工業大學鄧齊波教授，天津理工大學趙云峰教授和蘇州泰吉諾新材料有限公司李兆強團隊聯合在制備具有高導熱率的復合材料取得新進展。
文中提出了一種用各種定向CF制備TIM的簡便方法，這種方法的靈感來自于一個簡單的“搟餅”過程。本研究首次制備了聚二甲基硅氧烷(PDMS)/短碳纖維(SCFs)/Al球形顆粒(PDMS/SCFs/Al)復合材料。不依賴于任何特定的儀器，利用便利的“搟餅”方法，將SCFs分別排列成水平(0?)，傾斜(45?)和垂直(90?)方向。
結果表明，垂直取向的SCFs與Al球形顆粒形成了有效的導熱-三維(3D)網絡，平面內測得的導熱系數高達10.46 W/(mK)，而通過穩態法測得的面內導熱系數為6.23 W/(mK)。采用有限元模擬方法研究了定向SCFs與Al球形顆粒復合材料的工作機理和導熱性能。
此外，利用紅外熱像儀觀察了復合材料在加熱和冷卻階段的表面溫度變化。當SCF-90作為裸模和筆記本電腦熱管之間的TIM時，溫度下降了16℃，表明SCF-90成功地實現了沿垂直定向碳纖維基三維網絡的高效傳熱。
展開 多晶硅鑄錠爐定向凝固技術——考慮馬蘭戈尼效應的COMSOL固液相變傳熱仿真（含CAE模型） ￥216
本模型解決的是多晶鑄錠爐內的多晶硅定向凝固現象，抽象為物理問題就是考慮馬蘭戈尼效應的固液相變問題。
關鍵詞：固液相變、定向凝固、馬蘭戈尼效應、流體流動、相界面、表面對表面的熱輻射
1、模型幾何
從內到外依次為硅液、石英坩堝、石墨臺、加熱器、保溫筒、爐壁。
2、處理方法
固液相變的處理辦法可以大致分為動網格法和偽流體方法。
偽流體的處理方法也可以包含多種，比如固液相變中將固體的粘度取得很大，固體在粘性力作用下產生的運動可以被忽略。比如固液相變中將流體假設為在多孔介質中流動，當孔隙率為1的時候可以近似為全部為沒有孔隙的固體，而孔隙率為0的時候即為流體。
由于定向凝固中全部液態的硅要轉化為全部固態的硅，相界面從無到有，再消失。使用動網格雖然可以捕捉清晰的相界面，但是最終無法得到最后的相界面的拓撲變化，因此，本模型采用的是偽流體處理方法。
3、材料參數
除液體硅外，其余材料的材料參數均假設為常數，不隨溫度變化。
圖 硅液材料參數
圖 固體硅材料參數
圖 石英材料參數
圖 石墨材料參數
圖 保溫筒材料參數
圖 爐壁材料參數
4、物理場
模型添加了固體和液體傳熱、層流、表面對表面的輻射、非等溫流動、馬蘭戈尼效應。
5、研究
研究分為加熱和降溫兩個階段。
加熱過程中假設所有物質都是固體，僅考慮固體傳熱，得到10h后的溫度分布。
降溫過程選則的初始條件是5h的鑄錠爐狀態，因為5h后硅料已經全部融化為液態，直接降溫可以進行定向凝固。
6、結果
圖 升溫5h后的溫度分布
圖 降溫0.7h后的溫度分布
圖 降溫0.6、0.7、0.8、0.9h后的固液界面
圖 降溫0.7h后的固液界面及流線
7、模型建立
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