隨著3D打印以及印刷電路的蓬勃發展，針對微流體噴射技術的研究成為熱點。對微流體噴?射的機理研究與應用可明顯優化噴涂效果。千眼狼高速攝像機在此過程中可助力液滴斷裂瞬間的捕捉以及微流體噴射液滴體積的精確調控。
 

　　液滴的斷裂是微流體噴射過程中一個重要階段，在日常生活中也隨處可見(如圖1漏水的水)。低流量下的水因表面張力的存在聚集成液滴，當液滴聚集到一定程度時便會斷裂。然而懸掛的液滴為什么會斷裂呢？很多人第一時間會聯想到重力，但通過理論計算當重力作為驅動力的時候，斷裂時間趨于無窮大，這顯然不符合事實。其實液滴的快速斷裂同樣要歸結于表面張力。液滴的斷裂過程雖然簡單，卻包含豐富的物理規律，不tong性質的流體斷裂過程也各不相同，因此我們對其進行了一系列實驗探析深層機理。
 

圖1 漏水的水
 

　　研究液滴斷裂中我們關注的特征變量分別為小直徑Dmin，接觸角θ及液滴長度L(見圖2)。圖3為拍攝牛頓流體液滴的形成過程實驗(采用以上拍攝采用千眼狼5KF20(1920×1080@3000 fps)高速攝像機)。可以看出液滴的形成大致可以分為兩個階段：液體的聚集和液滴的斷裂。在聚集階段，隨著液量的逐漸增多，液滴逐漸從半球狀轉化為類球狀，接觸角θ先變小后略微變大，液滴長度L增大，此時重力和慣性力為驅動力，而表面張力為反向力；在液滴的斷裂階段，液體聚集已到達某一臨界值，即重力和慣性力克服表面張力，此時表面張力為驅動力使得液滴快速斷裂，接觸角θ增大、Dmin減小、L增大。實際的液體都具有粘性，粘性力能夠減緩液滴的斷裂。圖4為高粘流體液滴的斷裂過程，可以看出在液滴斷裂時，液滴長度L遠大于圖3中低粘流體。除了流體的粘性，對于非牛頓流體來說，流變性、粘彈性、顆粒物等都會影響液滴的形成過程，相關的研究在高速攝像機的助推下得以更加廣泛的展開中。
 

圖2 液滴形成過程的描述
 

圖3 液滴形成過程
 

圖4 高粘流體液滴的形成過程
 

　　除研究液滴的斷裂這一局部現象外，在微流體噴射的全局研究中，高速攝像機亦有重要應用價值。在實際應用時，對噴射所得液滴體積的精確調控將直接關系產品品質的高低，所以研究各輸入參數與液滴體積的相關性就顯得尤為重要，而這一切的前提是對液滴體積的精確捕捉。
 

　　目前無論是采用壓電驅動式、熱驅動式亦或是電流體噴射方法通常采用CCD相機配合頻閃燈的方法來捕捉液滴，這種方法在穩定噴的前提下可以拍到幀率*的照片(可達百萬幀率)。但受限于照片是通過同一相對時刻數百次曝光疊加而成，無法得到精確的液體邊界的圖像，客觀造成不可忽略的實驗誤差。在亞穩態和非穩態下，這種局限性就變得尤為突出。而CMOS高速攝像機因其拍攝原理不同，可直接將圖像半導體產生的光電信號轉變成數字信號，處理速度極快，縱使頻率無法達到前者的高度，但在足夠短的曝光時間可捕捉到更加明晰的液體邊界，且支持亞穩態和非穩態下拍攝。CCD相機與千眼狼高速攝像機采集到的液體邊界圖對比如下(如圖5)。
 

圖5 兩者對比(左CCD配合頻閃、右千眼狼高速攝像機)
 

　　作為一種高效精確的微小體積流體分配技術，微流體噴射技術未來的研究方向是數字化、質量的精準匹配，以及新型的微流體驅動方式，高速攝像機憑借超高的時空分辨率將成為科研人員實驗裝置*的一環。(作者華中科技大學：潘小龍)