هدف: پیشرفت ها در تکنولوژی های میکرو الکترومکانیکی (MEMS) طی چند دهه گذشته به توسعه سریع طیف وسیعی از دستگاه های میکرو فلوئیدیک با عملکردهای مختلف کمک کرده است از میان دستگاه های مختلفی که پیشنهادشده اند، میکرو پمپ ها که انرژی لازم برای راندن سیالات را از طریق سیستم های میکرو فلوئیدیک فراهم می کنند؛ بنابراین در پژوهش حاضر قصد براین است تا به طور پارامتری اثرات پارامترهای اصلی، یعنی طول، عرض و زاویه حمله سوپاپ ها، طول پیزوالکتریک و ولتاژ اعمال شده را موردبررسی قرار گیرد. روش: رویکرد پژوهش حاضر کاربردی محور و تحلیلی -آزمایشی با شبیه سازی های عددی که نیروی کشش و معادلات با استفاده از الگوریتم کاملاً کوپل شده درنرم افزار COMSOL Multiphysics محاسبه می شوند. یافته ها: نتایج حاصل از پژوهش حاضر نشان می دهد پارامترهای اصلی به طور قابل توجهی عملکرد میکرو پمپ طراحی شده را تحت تأثیر قرار می دهند.به طوری که ولتاژ اعمال شده 400 ولت، زاویه حمله 45 درجه و عرض شیرها 6میکرومتر،به ترتیب برای طول پیزوالکتریک 4،2و5 میلی متر دبی جریان6/0، 9/6 و6/16 میکرو لیتر بر دقیقه به دست می آید. برای عرض های شیر 6 و8میکرومتر، زاویه های حمله بهینه 60 و 65 درجه ، دبی مربوطه به ترتیب 1/11 و9/5 میکرو لیتر در دقیقه است. نتیجه گیری: بر اساس نتایج حاصل از پژوهش حاضر و بررسی رفتار میکرو پمپ و تغییرات دبی خروجی آن در شرایط کاری مختلف، هرچه طول شیرها افزایش یابد، دبی ارائه شده بیشتر می شود. درنهایت، یک شرط مطلوب برای عرض و زاویه حمله سوپاپ ها وجود دارد؛ که این عرض مطلوب به سرعت جریان بستگی ندارد.

در مقاله حاضر تحلیل لایه مجزای کوپل پیزوالکتریک تیرهای مرکب لایه ای انجام گرفته است. برای تخمین متغیرهای حالت تغییر مکان و پتانسیل الکتریکی از تئوری لایه مجزای ردی با توابع لاگرانژی مرتبه اول تا سوم در جهت ضخامت هر لایه استفاده می گردد. از تغییرات مولفه مکان عرضی (w) در ضخامت تیر صرفنظر می گردد. معادلات تعادل مکانیکی به همراه معادلات الکتریکی به صورت کوپل، به روش اجزا محدود، گسسته و حل می گردند. نتایج تحلیل استاتیکی تیرهای با تکیه گاه ساده و لایه چینی متفاوت، تحت بارهای مکانیکی و الکتریکی با حل دقیق مقایسه می شود. قابلیت این مدل در پیش بینی دقیق تغییر مکانها و تنشها نشان داده می شود.  

متن کامل این مقاله به زبان انگلیسی می باشد، لطفا برای مشاهده متن کامل مقاله به بخش انگلیسی مراجعه فرمایید.لطفا برای مشاهده متن کامل این مقاله اینجا را کلیک کنید.

در این مقاله با کمک روش اجزاء محدود، یک مدل کوپل سیال- جامد- پیزوالکتریک برای مطالعه و بهبود عملکرد یک میکرو مبدل پیزوالکتریکی توسعه یافته که برای جذب انرژی از جریان سیال طراحی شده است. در این جاذب انرژی، عبور جریان لزج و آشفته سیال از روی یک مانع سبب وقوع پدیده جدایش گردابه می‎گردد. جدایش گردابه ها موجب اعمال یک نیروی برآی نوسانی به تیر پیزوالکتریکی می شود که در پایین دست مانع قرار گرفته است. نوسانات حاصله در تیر با توجه به خاصیت پیزوالکتریکی منجر به تولید جریان و انرژی الکتریکی خواهد شد. معادلات ناویر- استوکس و روش شبیه ‎سازی گردابه بزرگ برای توصیف رفتار جریان آشفته سیال، و معادلات پیوستگی مومنتوم خطی به همراه روابط ساختاری پیزوالکتریک برای تعیین تغییر شکل جامد و شدت میدان الکتریکی تولیدی به کار گرفته شده اند. با طراحی آزمون های عددی به روش تاگوچی، تأثیر پارامترهای مختلف بر عملکرد برداشت کننده مطالعه شده است. مطابق با نتایج بدست آمده، انتخاب شکل مثلثی یا دی-شکل برای مانع و اتخاذ کمترین مقدار ممکن برای نسبت طول به ارتفاع مانع، فاصله تیر تا مانع جسم، و خروج از مرکز تیر نسبت به مانع برای بهبود عملکرد جاذب سودمند است. ضمن اینکه شکل مانع مؤثرترین پارامتر مورد بررسی بوده است.

پیزوالکتریسیته قابلیتی است که طی آن مواد ویژه ای می توانند انرژی مکانیکی را به الکتریکی و برعکس تبدیل کنند. افرون بر سرامیک ها (مانند PZT) و پلیمرهای قطبی (PVDF و کوپلیمرهای آن)، در دو دهه اخیر پلیمرهای سلولی غیرقطبی نیز به دلیل داشتن قیمت مناسب، سبکی، انعطاف پذیری و ضریب پیزوالکتریک (d33)، بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. این پلیمرها برای کاربردهای مختلف همچون در جاذب های انرژی، حسگرها و در زمیته علوم پزشکی به کار گرفته می شوند. پلی پروپیلن (PP)، پلی اتیلن ترفتالات (PET)، پلی اتیلن نفتالات (PEN)، پلی اتیلن (PE) و پلی الفین های حلقوی (COP) و مواد گرمانرم، ضریب پیزوالکتریک زیادی نشان می دهند. با قرارگیری این فیلم های سلولی در میدان الکتریکی قوی (تخلیه هاله یا میان دو الکترود) و در مجاورت گاز یون کننده، گاز به وسیله میدان الکتریکی یون می شود، درون سلول ها باقی می ماند و گشتاور دوقطبی نشان می دهد. به دلیل رفتار شبه پیزوالکتریک این مواد، آن ها را پیزوالکترت و به خواصی که نشان می دهند، فروالکتریسیته می گویند. عامل های مهمی همچون ساختار سلول ها (شکل شناسی، اندازه و چگالی)، نوع گاز یون کننده و مدول یانگ بر ضریب پیزوالکتریک اثر مستقیم می گذارند. افزون بر این، عمل اوری های پس فراورشی همچون فرایندهای شیمیایی و کشش نیز خواص پیزوالکتریک را بهبود می دهند. پلی پروپیلن یکی از پلیمرهای سلولی پرکاربرد در زمینه پیزوالکتریک هاست که به دلیل داشتن ویژگی هایی مانند قیمت مناسب، مقاومت خستگی و حبس شارژ خوب در سلول ها زمینه مطالعه را برای سایر پلیمرها فراهم کرده است. در این مقاله، پیشرفت های اخیر در زمینه بهبود ضریب پیزوالکتریک و فرایند کار بحث شده است. اثر عامل های مختلف همچون استحکام شکست الکتریکی گازهای مختلف، مدول یانگ، دمای کارکرد پلیمر و افزودنی ها بر پیزوالکتریسیته در پلیمرهای سلولی بررسی و مرور شده است.

مواد پیزوالکتریک تحت تغییر شکل از خود میدان الکتریکی تولید می کنند و تحت میدان الکتریکی نیز تغییر شکل می دهند. به خاطر طبیعت دوگانه مواد پیزوالکتریک، این گونه مواد کاربردهای وسیعی در تجهیزات الکتریکی و الکتریکی- مکانیکی مانند عملگرها، حسگرها و سازه ها دارند. در این مقاله یک سیلندر نو خالی از جنس پیزوالکتریک غیرایزوتروپیک که در جهت شعاعی پلاریزه شده است مانند PZT_4 (تیتانات زیرکونیم سرب) یا BaTiO3 (تیتانات باریم) تحت بارگذاری های فشار داخلی، فشار خارجی، اختلاف پتانسیل ثابت بین سطوح داخلی و خارجی سیلندر و یا ترکیبی از آنها در نظر گرفته می شود. الکترودهای وصل شده به سطوح داخلی و خارجی سیلندر ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی در ضخامت آن می کنند. معادلات تعادل حاکم در دستگاه مختصات قطبی تشکیل یک سیستم کوپله شده از معادلات دیفرانسیل معمولی مرتبه دوم بر حسب جابه جایی شعاعی و میدان پتانسیل الکتریکی را می دهند. این معادلات دیفرانسیل به صورت تحلیلی و برای هفت شرایط مرزی حل شده اند. نمودار توزیع تنشها و پتانسیل الکتریکی در سرتاسر سطح مقطع سیلندر برای دو ماده پیزوسرامیک PZT_4 و BaTiO3 و هفت حالت بارگذاری رسم و بحث شده است.