基于剪切力自驱动的涂层制备装置 专利技术说明

物理化学装置的制造及其应用技术1.本公开涉及施工工具技术领域，尤其是涉及一种基于剪切力自驱动的涂层制备装置。背景技术：2.目前涂层制备、成膜技术，在生物医药、化学化工和机械电子等各个领域都发挥着重要作用，提供材料或设备所需要的功能改进、寿命延长和稳定性提升等，进而提升材料或设备的整体性能，节约成本开销。但是目前而言，对于处于流动液体工作环境中的涂层，由于液体黏性的存在，涂层的附近会形成边界层，存在流体的流速差异，因而导致剪切力的产生，使得其寿命和时效性大大缩短。3.传统使用静态反应装置浸提制备涂层的方式，反应物质常呈现团聚形态，并且其附着于样品表面的过程取决于随机碰撞，导致反应物沉积在样品表面在微纳尺度下不均匀且不平整，具有较低的结合力，容易受到流体剪切力的影响剥落，因而具有较低的时效性和稳定性。技术实现要素：4.为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种基于剪切力自驱动的涂层制备装置，包括反应装置、循环管路以及动力装置，其中，所述反应装置包括壳体和流体槽，所述流体槽设置在所述壳体内，所述流体槽用于放置待镀层样品，所述壳体设置有开口相对的进液口和出液口，所述流体槽的两端分别与所述进液口和所述出液口连通；5.所述循环管路的两端分别连接所述进液口和所述出液口，所述动力装置与所述循环管路连接，所述动力装置用于驱动反应液体在所述循环管路和所述流体槽中流动。6.可选的，所述流体槽包括一体贯通的扩散区、制备区和收敛区，其中，所述扩散区与所述进液口连通，且所述扩散区由窄至宽逐渐扩散形成所述制备区的首端；7.所述制备区的尾端由宽至窄逐渐收敛形成所述收敛区，所述收敛区与所述出液口连通。8.可选的，所述扩散区包括入液段和扩散段，所述入液段与所述进液口连通，所述入液段与所述扩散段的连接处弧形过渡且弧顶相对，且所述入液段的直径小于所述扩散段的直径。9.可选的，所述循环管路上设置有控温槽，所述控温槽设置在靠近所述出液口的一侧，所述控温槽用于检测调节反应液温度。10.可选的，所述循环管路上还设置有温度传感器，所述温度传感器设置在所述控温槽的顺时针方向上。11.可选的，所述循环管路上还设置有流量传感器，所述流量传感器用于检测所述循环管路中反应液的流速。12.可选的，所述动力装置为蠕动泵、离心泵或灌注泵。13.可选的，所述循环管路上设置有接头，所述接头用于灌注反应液。14.可选的，所述壳体包括上盖和下盖，所述上盖和所述下盖密封连接，所述进液口和所述出液口设置在所述下盖的两端。15.与现有技术相比，本公开的有益效果是：本公开通过使反应液在循环管路和反应装置中流动，使静态的膜制备改变为反应液动态流动的膜制备，使涂层有效物质沉积吸附的过程更加均匀平整，降低物质累积过程中的混乱程度，提升涂层在流动液体环境中，抗剪切力冲刷的能力，本公开利用剪切力驱动反应液有序、规律且平整的吸附于基底表面，反应液体流动在基底表面所产生的剪切力能够拆散团聚的多个反应物分子，使得反应物能以单个分子的形态吸附在基底表面，从而提升表面的平整度、结合力和抵抗剪切力冲刷的能力。附图说明16.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。17.为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。18.图1为本公开的结构示意图；19.图2为本公开的反应装置的结构示意图；20.图3为本公开的流体槽的结构示意图；21.图4为本公开流体槽的扩散区、制备区以及收敛区的结构示意图；22.图5为本公开扩散区的入液段与扩散段的结构示意图；23.图6为本公开反应液进入流体槽的原理展示图之一；24.图7为本公开反应液进入流体槽的原理展示图之二；25.图8为本公开反应液进入流体槽的原理展示图之三。26.其中，1-反应装置；11-壳体；111-上盖；112-下盖；12-流体槽；121-扩散区；122-制备区；123-收敛区；13-进液口；14-出液口；2-循环管路；3-动力装置；4-控温槽；5-温度传感器；6-流量传感器；7-接头；124-入液段；125-扩散段。具体实施方式27.为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。28.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。29.目前涂层制备、成膜技术，在生物医药、化学化工和机械电子等各个领域都发挥着重要作用，提供材料或设备所需要的功能改进、寿命延长和稳定性提升等，进而提升材料或设备的整体性能，节约成本开销。但是目前而言，对于处于流动液体工作环境中的涂层，由于液体黏性的存在，涂层的附近会形成边界层，存在流体的流速差异，因而导致剪切力的产生，使得其寿命和时效性大大缩短。30.传统使用静态反应装置浸提制备涂层的方式，反应物质常呈现团聚形态，并且其附着于样品表面的过程取决于随机碰撞，导致反应物沉积在样品表面在微纳尺度下不均匀且不平整，具有较低的结合力，容易受到流体剪切力的影响剥落，因而具有较低的时效性和稳定性。31.基于此，本公开实施例提供一种基于剪切力自驱动的涂层制备装置，能够基于牛顿内摩擦定律和边界层效应，利用流体流动所产生的剪切力驱动制备液中的反应物质有序、规律且平整的吸附于基底表面，反应液体流动在基底表面所产生的剪切力能够拆散团聚的多个反应物分子，使得反应物能以单个分子的形态吸附在基底表面，从而提升表面的平整度、结合力和抵抗剪切力冲刷的能力。32.下面通过具体的实施例对该基于剪切力自驱动的涂层制备装置进行详细说明：33.参照图1至4所示，本公开提供了一种基于剪切力自驱动的涂层制备装置，包括反应装置1、循环管路2以及动力装置3，动力装置3为蠕动泵、离心泵或灌注泵。本公开的反应装置1包括壳体11和流体槽12，流体槽12用于放置待镀层样品，壳体1设置有进液口13和出液口14，流体槽12的两端分别与进液口13和出液口14连通。本公开的壳体11可以设置为一体结构，在壳体11内设置有流体槽12，在流体槽12对应的面开设放置样品的开口，并且开口处设置有能够密封壳体11内部的密封板，保证制备时壳体11内部密封，优选的也可以选用如本公开图2所示的分体结构，将壳体11分为上盖和下盖，其中下盖中开设有流体槽12，下盖的两端设置有进液口13和出液口14。循环管路2的两端分别连接进液口13和出液口14，形成闭管循环，动力装置3与循环管路2连接，动力装置3用于驱动反应液体在循环管路2和流体槽12中流动。34.在一个优选的实施例中，流体槽12包括一体贯通的扩散区121、制备区122和收敛区123，其中扩散区121与进液口13连通，且扩散区121由窄至宽逐渐扩散形成制备区122的首端；制备区122的尾端由宽至窄逐渐收敛形成收敛区123，收敛区123与出液口14连通。本公开的流体槽12为根据计算流体力学有限元分析得出的设计，设计目的为实现制备溶液在膜层制备区域的均匀稳定流动，不存在涡流区和滞留区影响制备效果，因此将本公开的流体槽12分为三个部分，即扩散区121、制备区122和收敛区123，扩散区121能够实现制备溶液从狭窄空间向宽阔空间的稳定扩散，保证制备溶液均匀稳定覆盖制备区的样品表面，实现膜层的良好覆盖，最终通过收敛区进入循环管路2。35.更进一步的，扩散区121包括入液段124和扩散段125，入液段124与进液口13连通，入液段124与扩散段125的连接处弧形过渡且弧顶相对，且入液段124的直径小于扩散段125的直径。本公开的设置方式使反应液能够逐渐稳定的进入反应槽12，不会出现液体脱离导致反应物质困住在反应槽12进液处的情况，因为反应物质困在一点会形成流体旋涡，导致样品表面有效成分的沉积一定程度的不均匀，也容易产生相比于浸提方式静置涂层制备方案较少的多分子团聚状态沉积于样品表面，也会一定程度的造成涂层功能性下降。为了更好的解释本公开扩散区121的入液段124与扩散段125的形态以及连接配合关系的原理，如图6至图8所示具体如下：36.图6为扩散区121为等腰梯形，即扩散区121的侧壁为直线，扩散区121的顶部直接与循环管路2连通。如图6所示，a、b、c、d为流量按照字母顺序逐渐增加的流线展示，其中线条表示流线，小箭头表示流体流动方向。在反应液进入流体槽后，由于实际液体都存在粘性且由于突然扩散带来的负压，梯形流体槽的入口部分会产生不可避免的流动分离，脱离的液体会在入口附近形成对称的两个涡流，将大部分的反应物质困住；随着流量的增加，这个脱离涡会越来越大，不会随着流量的增加消失，而会更加扩大。图中α代表扩散区由窄至宽的角度。反应物质困在一点形成流体旋涡，导致样品表面有效成分的沉积一定程度的不均匀，也容易产生相比于浸提方式静置涂层制备方案较少的多分子团聚状态沉积于样品表面，也会一定程度的造成涂层功能性下降。37.如图7所示，如果尝试使用更小的梯形角度(减小α的角度)以及入液段124和扩散段125的直径。这种液体脱离的情况并不会得到改善，仍然会发生流动的脱离并产生涡流，并且如果一味减小夹角，由于样品加工存在一定宽度，会导致流体槽的长度过长，占用加工空间。38.图8为本公开优选实施例中扩散区121的视图，将本公开的扩散区121设置为入液段124和扩散段125，入液段124与扩散段125的连接处弧形过渡且弧顶相对，且入液段124的直径小于出液段b的直径，使得反应液在进入扩散段125时更稳平滑稳定，能够限制脱离涡的产生和发展，使得制备区能够得到一致稳定的流动，即使流量加大(上图a-b-c-d)，也不会产生脱离涡，由此可以保证样品的涂层制备效果。39.在一些实施例中，循环管路2上设置有控温槽4，根据不同反应液体的温度需要，控温槽4能够检测调节反应液温度，控温槽4设置在靠近出液口14的一侧，使得反应液在流出流体槽12后能够首先检测其温度便于调节，以使得反应液达到最佳效果。进一步的，循环管路2上还设置有温度传感器5，温度传感器5设置在控温槽4的顺时针方向上，使得控温槽4流出的反应液能够再一次得到监测，确保温度的准确性。本公开的顺时针方向为反应液的流动方向。40.进一步的，循环管路2上还设置有流量传感器6，流量传感器6用于检测循环管路2中反应液的流速。优选的，流量传感器6设置在循环管路2的中间部分，且避开动力装置3的输出端，确保检测到的参数准确。本公开的流量传感器6可以配合屏幕显示器流量检测数据，根据显示的数据来调节动力装置3的动力调节流量。本公开的反应液灌注可以采用多种方式，例如直接在动力装置3处灌注反应液或者在设置控温槽4时在控温槽4的位置灌注反应液。优选的，也可以在循环管路2上设置接头7用于灌注反应液。41.本公开基于牛顿内摩擦定律和边界层效应，利用流体流动所产生的剪切力驱动制备液中的涂层物质均匀吸附于样品表面，具有较好的平整度和抗剪切力冲刷能力，因而具有较高的稳定性和可持续性，根据想要制备膜层的有效物质的分子结构，进行多体耗散粒子动力学分析，获得实现分子均匀平铺所需要的临界剪切速率s-1，在该剪切速率下能够保证流体有足够的冲刷能力铺平有效物质分子。其中，计算剪切速率和剪切力示公式如下：42.剪切速率(s-1)43.剪切速率(s-1)44.y为离静止壁面的距离，dy为相邻两条流线之间的距离，u表示流线的流动速度，du表示相邻两条流线之间的速度差。45.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。46.以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。









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