微纳米干粉体脉冲喷射燃烧法制备Ｙ２Ｏ３∶Ｅｕ３＋发光材料芯片＊王 懿，侯丽雅，章维一（南京理工大学机械工程学院，江苏南京２１００９４）摘 要： 采用基于微流体数字化技术的微纳米干粉体脉冲喷射燃烧法制备了Ｙ２Ｏ３∶Ｅｕ３＋发光材料芯片，用紫外分析仪和荧光光谱仪对材料芯片进行了分析和表征。
与组合液滴喷射法的间接作业不同，微纳米干粉体脉冲喷射燃烧法直接喷射原材料粉体进行材料芯片制备作业，无需配制溶液或悬浮液，简化了制备工艺流程、提高了材料芯片制备效率。
关键词： 组合材料学；发光材料；脉冲惯性力；粉体喷射；燃烧法中图分类号： Ｏ４８２．３１文献标识码：Ａ文章编号：１００１－９７３１（２０１０）１１－２０２２－０４１ 引 言组合材料学（Ｃｏｍｂｉｎａｔｏｒｉａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ）兴起于２０世纪９０年代中期［１－３］，是组合方法与材料科学相结合而形成的一门新兴交叉学科，其目标是通过采用并行合成、高通量表征的研究策略，短时间内用有限步骤快速合成大量不同的样品，形成材料样品库（材料芯片）、并快速表征它们的性质，来实现新材料的高效筛选／优化。
发光材料是日常生活中不可缺少的材料，为了发展和推广高效、节能照明器具，迫切需要寻找具有高效、稳定、色纯度高等特点的新型发光材料。
一般情况，材料工作者依靠经验和直觉，通过＂炒菜法＂或＂试错法＂，采用一次一个组分的方法来寻找新型发光材料。
这种研究模式由于周期长、成本高，难以满足社会高速发展的需求。
组合方法的运用有效促进了发光材料的开发，Ｓｕｎ等人采用溶液喷射技术制备了包含１００个微型粉末样品的发光材料库［４］；Ｗａｎｇ等人采用四元物理掩膜与光刻相结合的技术制备了由１０２４个分立样品组成的薄膜样品库，并从中筛选出一种高效蓝色荧光复合材料Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２／ＳｉＯ２［５］；Ｍｏｒｄｋｏｖｉｃｈ等人采用二元及多元组分梯度技术制备样品库，发现并优化了４种低压阴极射线发光良好的ＺｎＯ基荧光粉［６］；Ｃｈｅｎ等人拓展了组合液滴喷射合成技术的应用范围，以悬浮液为前驱体喷射合成的荧光材料库［７］，但是悬浮液需要专用设备花费数小时制备［８］；近年来，Ｇａｏ等人采用组合溶液喷射法对平板显示技术（ＰＤＰ／ＬＥＤ）所需的荧光材料进行了研究［９－１１］。
这些材料芯片制备技术均是使用反应物的溶液点样和混合，挥发掉溶剂后再进行固相反应的间接作业，存在因反应物不同需寻找不同溶剂造成工作量大、甚至因溶解度过低溶液难配制等问题。
本文为提高材料芯片制备效率，采用基于微流体数字化技术的微纳米干粉体脉冲喷射燃烧法，进行Ｙ２Ｏ３∶Ｅｕ３＋发光材料芯片的制备实验研究，探索直接输送干粉体进行材料芯片合成的新方法。
２ 原 理２．１ 微流体数字化技术本课题研究起点是南京理工大学微系统研究室发明的、拥有自主知识产权的微流体数字化技术［１２－１４］。
微流体数字化技术的原创技术特征如下：方法上以脉冲为微流动基本形态；以脉冲当地惯性力为主动力；以脉冲波形、频率、幅值、相位、波数、波序列为驱动－控制－扰动参量；装置上既无微可动件又无嵌入式微电路；以外部宏驱动器影响微流道内部流动。
性能上：适用流体广，包括各种液体和粉体；流动分辨率高达飞升级；脉冲量规整、序列可控的数字化流动；可靠性高、抗固粒堵塞、气泡阻断；工作条件利于保持生物活性；结构简、成本低［１３，１４］。
２．２ 微纳米干粉体脉冲喷射燃烧法微纳米干粉体脉冲喷射燃烧法的材料芯片合成大致可分为两步：一是微量反应原料向微反应器的精确输送；二是微反应器中化学反应的控制。
难点主要在第一步，而第二步则与传统的常规材料合成基本相同。
微纳米干粉体脉冲喷射燃烧法采用微流体数字化技术输送微量粉体，之后在反应器内进行燃烧反应生成材料样品库。
其输送特点为：直接使用原材料粉体，无需制备溶液或悬浮液。
３ Ｙ２Ｏ３∶Ｅｕ３＋发光材料芯片的制备３．１ 系统构成本文以电磁铁为作动器搭建了微纳米干粉体脉冲喷射系统，通过撞击产生脉冲惯性力喷射微纳米干粉体至陶瓷点滴板各孔内，由脉冲频率和幅值控制喷射流量，之后经阵列燃烧［１５］得到所需样品库。
２２０２２０１０年第１１期（４１）卷＊基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０９７５１５２）；南京理工大学自主科研专项计划资助项目（２０１０ＧＪＰＹ００６）收到初稿日期：２０１０－０４－０２收到修改稿日期：２０１０－０９－１５ 通讯作者：侯丽雅作者简介：王 懿 （１９８６－），男，安徽芜湖人，在读硕士，师承侯丽雅教授，从事组合材料芯片技术及应用研究。
以电磁铁为作动器搭建的微纳米干粉体脉冲喷射系统构成如图１所示，系统由包括电磁铁、驱动控制电路、支架、夹具、微喷嘴、陶瓷点滴板和步进电机驱动的二维运动工作台等组成。
图１ 微纳米干粉体脉冲喷射系统Ｆｉｇ １Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ－ｎａｎｏ ｄｒｙ ｐｏｗ－ｄｅｒ ｐｕｌｓｅ ｊｅｔ ｓｙｓｔｅｍ 本系统选用深圳宗泰电子有限公司的直流框架直动推出式往复电磁铁（型号ＳＤＯ－０６３０Ｓ）。
直流框架直动拉入式往复电磁铁与一般电磁铁相比，增加了弹簧部件。
弹簧可使铁芯通电吸合后，断电时自动复位运动。
电磁铁通电，调节线圈两端电压，控制线圈中电流大小，从而影响电磁力大小。
当电磁铁线圈两端外加周期性变化电压，则可控制铁芯周期性左右往复运动。
铁芯在往复运动过程中，在其运动行程范围内撞击支架，产生脉冲惯性力喷射干粉体。
电磁铁作动器驱动控制电路采用ＡＴ８９Ｓ５１型单片机最小系统实现。
通过单片机发送矩形波信号控制电磁铁电路的通断；通过改变矩形波周期控制电磁铁动作频率；通过改变矩形波幅值控制电磁铁撞击产生脉冲惯性力的大小。
支架用于连接电磁铁和夹具，承受电磁铁撞击产生脉冲惯性力。
夹具用于定位并夹紧微喷嘴，并将脉冲惯性力传递给微喷嘴。
微喷嘴为干粉体脉冲喷射实验中的重要器件，选用连云港金成石英制品有限公司生产的标准透明石英玻璃管（规格：外径７．３ｍｍ，内径５．１ｍｍ），通过南京理工大学微系统研究室自制拉针仪拉制而成。
图２所示为微喷嘴在显微镜下拍摄的内部结构图，其内径为２５０μｍ。
图２ 微喷嘴端部显微结构Ｆｉｇ ２Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｍｉｃｒｏ－ｎｏｚｚｌｅ ｔｉｐ 陶瓷点滴板置于二维运动工作台上，用于接收喷射出的干粉体。
步进电机驱动的二维运动工作台包括主控部分（计算机）、电平转换电路、步进电机运动控制电路、步进电机及工作台。
控制系统的布局和连线示意，如图３所示。
用户通过计算机串口发出相应的控制指令，通过电平转换，将控制信号送到ＤＳＰ的串口，ＤＳＰ分析控制信号，做出相应的反应，使电动机按照控制指令运转或停止，达到控制的目的；同时整个驱动系统的运行参数，如频率等由采集系统获取后，经由ＤＳＰ串口发送回计算机串口，由通信程序显示，完成一整套运动控制功能。
图３ 电动机驱动控制系统设备布局和连线示意图Ｆｉｇ ３Ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｌａｙｏｕｔ ａｎｄ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ３．２ 干粉体脉冲喷射的参数标定为了通过喷射时间控制干粉体喷射量，需进行脉冲喷射参数标定实验，以测定Ｙ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３和ＮＨ２ＣＨ２ＣＯＯＨ粉体的流量。
标定实验针对不同干粉体，选用不同内径的微喷嘴，在不同驱动参数下进行脉冲喷射实验，通过计算一定时间内的干粉体喷射量变异系数，来选定一组稳定的喷射参数，并计算出喷射流量。
干粉体喷射量变异系数Ｃ·Ｖ的计算公式为：Ｃ·Ｖ＝Ｓｘ×１００％（１） Ｓ为干粉体喷射量的标准差，ｘ为干粉体喷射量的平均数。
标定实验条件为：（１） 温度：２０℃；相对湿度：３６％；（２） 喷射时间：１８０ｓ；３２０２王 懿等：微纳米干粉体脉冲喷射燃烧法制备Ｙ２Ｏ３∶Ｅｕ３＋发光材料芯片（３） Ｙ２Ｏ３粉体粒径为１５～２５μｍ；Ｅｕ２Ｏ３粉体粒径为１５～２５μｍ；ＮＨ２ＣＨ２ＣＯＯＨ粉体粒径为８０～１２５μｍ；（４） 电磁铁驱动参数：电压为９和１２Ｖ，频率为１和２Ｈｚ；（５） 微喷嘴规格３种：内径５００、内径４５０和内径２５０μｍ。
实验标定结果如表１～３所示。
表１ 选用内径５００μｍ的微喷嘴标定Ｙ２Ｏ３粉体流量Ｔａｂｌｅ １Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｙ２Ｏ３ｐｏｗｄｅｒ ｆｌｏｗ ｕｓｉｎｇ ｍｉｃｒｏ－ｎｏｚｚｌｅ ｗｉｔｈ ａｎ ｉｎｎｅｒ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ５００μｍ驱动参数第一组喷射量（ｍｇ）第二组喷射量（ｍｇ）第三组喷射量（ｍｇ）平均喷射量（ｍｇ）变异系数流量（μｇ／ｓ）９Ｖ，１Ｈｚ １．５ １．６ １．６ １．６ ３．０％８．９９Ｖ，２Ｈｚ １．９ ２．１ ２．２ ２．１ ６．０％１１．７１２Ｖ，１Ｈｚ ３．７ ３．８ ３．５ ３．７ ３．４％２０．６１２Ｖ，２Ｈｚ ４．７ ４．４ ４．９ ４．７ ４．４％２６．１表２ 选用内径２５０μｍ的微喷嘴标定Ｅｕ２Ｏ３粉体流量Ｔａｂｌｅ ２Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｕ２Ｏ３ｐｏｗｄｅｒ ｆｌｏｗ ｕｓｉｎｇ ｍｉｃｒｏ－ｎｏｚｚｌｅ ｗｉｔｈ ａｎ ｉｎｎｅｒ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ２５０μｍ驱动参数第一组喷射量（ｍｇ）第二组喷射量（ｍｇ）第三组喷射量（ｍｇ）平均喷射量（ｍｇ）变异系数流量（μｇ／ｓ）９Ｖ，１Ｈｚ ０．９ １．０ １．０ １．０ ４．９％５．６９Ｖ，２Ｈｚ １．５ １．４ １．６ １．５ ５．４％８．３１２Ｖ，１Ｈｚ １．５ １．７ １．６ １．６ ５．１％８．９１２Ｖ，２Ｈｚ ３．３ ２．６ ３．０ ３．０ ９．７％１６．７表３ 选用内径４５０μｍ的微喷嘴标定ＮＨ２ＣＨ２ＣＯＯＨ粉体流量Ｔａｂｌｅ ３Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＮＨ２ＣＨ２ＣＯＯＨ ｐｏｗｄｅｒ ｆｌｏｗ ｕｓｉｎｇ ｍｉｃｒｏ－ｎｏｚｚｌｅ ｗｉｔｈ ａｎ ｉｎｎｅｒ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ４５０μｍ驱动参数第一组喷射量（ｍｇ）第二组喷射量（ｍｇ）第三组喷射量（ｍｇ）平均喷射量（ｍｇ）变异系数流量（μｇ／ｓ）９Ｖ，１Ｈｚ ８．１ ７．７ ８．０ ７．９ ２．１％４３．９９Ｖ，２Ｈｚ １１．０ １１．４ １０．４ １０．９ ３．８％６０．６１２Ｖ，１Ｈｚ １３．４ １２．５ １２．３ １２．７ ３．８％７０．６１２Ｖ，２Ｈｚ １５．６ １４．１ １４．７ １４．８ ４．２％８２．２ 从表１～３中可以看出：选用内径５００μｍ的微喷嘴喷射Ｙ２Ｏ３粉体，驱动参数为９Ｖ，１Ｈｚ时最稳定；选用内径２５０μｍ的微喷嘴喷射Ｅｕ２Ｏ３粉体，驱动参数为９Ｖ，１Ｈｚ时最稳定；选用内径４５０μｍ的微喷嘴喷射ＮＨ２ＣＨ２ＣＯＯＨ粉体，驱动参数为９Ｖ，１Ｈｚ时最稳定。