高压放大器在电场驱动的液态金属均匀液滴实验中的应用

实验名称：电场驱动的液态金属均匀液滴生成实验

研究方向：流体力学、液态金属、电场

实验目的：液态金属因其兼具流动性和导电性的独特特性而在电子和材料科学领域引起了广泛关注。传统的液态金属液滴发生器通常依赖于压电致动器来对射流施加机械扰动，从而控制液滴的形成。在本研究中，提出了一种新方法，通过向射流施加周期性静电扰动，来生成均匀可控的液态金属微滴流。通过调节喷嘴直径、流量以及施加电压的频率，可以有效地调整液滴的大小和间距。此外，在不同条件下的实验观测结果与理论预测之间的对比表明，瑞利-普拉托不稳定性理论能够准确描述电场激发下的扰动生长和液滴形成过程。本研究为可控生成镓基液态金属液滴奠定了理论和实验基础。

测试设备：

1、液态金属供给系统：注射泵、25mL玻璃注射器、管道、过滤器、陶瓷喷嘴

2、电场控制系统：函数发生器、高压放大器（AigtekATA-7015、ATA-2161）、铜环电极、高压探头

3、真空系统：机械泵、分子泵、真空室

4、观测与数据采集系统：LED光源、高速相机、电脑、数据采集器

5、数据分析工具：基于POD的图像处理系统、傅里叶变换分析工具

图1电场驱动的液态金属均匀液滴生成实验示意图

实验过程：实验选用镓铟锡合金为液态金属，组装含供给、电场控制、真空及观测系统的装置并密封真空室，抽真空至≤8×10⁻³Pa后，通过注射泵使液态金属经喷嘴形成自然射流，再将函数发生器产生的信号经高压放大器放大后施加到铜环电极，用高速相机拍摄射流破裂过程，最后对采集的图像进行POD分析、傅里叶变换等处理。

实验结果：无电场时液态金属射流破裂无主导频率，液滴尺寸不均；施加电场后，射流破裂出现与电场频率一致的主导频率，液滴均匀性提升，且液滴尺寸和间距随电场频率增加而减小，电压振幅可扩展控制频率范围，实验数据与Rayleigh-Plateau不稳定性理论预测吻合良好，但电场控制频率范围有限，受自然噪声扰动影响。

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　　图：ATA-7015高压放大器指标参数

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