مدلسازی حرکت نانو ذرات سرامیکی در سیالات توسط میدان الکتریکی متناوب

در فرآیند لایه نشانی الکتروفورتیک پودرهای سرامیکی، استفاده از جریان های متناوب جهت لایه نشانی مرسوم نمی باشد. اما با استفاده از الکترودهای هم صفحه می توان نانو ذرات را در میدانهای متناوب لایه نشانی کرد. با توجه به این که این فرآیند به تازگی شناخته شده و کاربردهایی نظیر ساخت سنسور برای آن معرفی شده است لازم است ویژگی های این روش جدید لایه نشانی به طور کامل شناسایی شود. به همین منظور در این تحقیق رفتار حرکتی ذرات نانومتری در مجاورت الکترودهای هم صفحه در میدان الکتریکی متناوب به کمک مدلسازی ریاضی و تصویربرداری هم زمان حین فرآیند مطالعه شده است. برای مدلسازی حرکت یک ذره، نخست نیروهای موثر وارد بر ذره شناسایی می شوند. سپس این نیروها با حل عددی معادلات حاکم بر مسئله محاسبه شده و در پایان با انتگرالگیری از معادله حرکت ذره مسیر حرکت ذره مشخص می گردد. در این پژوهش نیروهای الکتریکی، براونی و جریان سیال به عنوان عوامل اصلی حرکت ذره شناسایی شدند. برای به دست آوردن نیروی الکتریکی، معادله لاپلاسی پتانسیل الکتریکی به روش عددی حجم کنترل حل گردید و شدت میدان، گرادیان میدان و از آنجا نیروهای الکتریکی وارد بر ذره شامل نیروی الکتروفورتیک و دی الکتروفورتیک محاسبه شد. از طرف دیگر با توجه به سرعت نسبی ذره و سیال، نیروی اصطکاکی از طرف سیال به ذره وارد می شود. پس از حل عددی معادلات ناویر- استوکس به روش حجم محدود، سرعت سیال در هر نقطه و نیروی اصطکاکی وارد بر ذره محاسبه گردید. نیروی براونی هم که مقدار نا مشخصی دارد و اندازه آن با کوچک شدن ذرات نانومتری افزایش می یابد به مجموعه نیروهای فوق اضافه شد تا مسیر حرکت ذره با حل عددی معادله حرکت ذره به روش رانگ کوتای مرتبه چهار مشخص شود. با مدل ارائه شده در این پژوهش می توان نتایج آزمایشگاهی نظیر الگوی نشست ذرات بر الکترودهای هم صفحه در فرکانسهای مختلف را توجیه کرد. همچنین نتایج حاصل از محاسبات عددی و تصاویر گرفته شده از حرکت ذرات مکانیزم هایی را پیشنهاد می دهد که به ایده های نوینی در علم نانو می انجامد. ایده لایه نشانی میکرومتری ذرات نانومتری tio2 بر روی زیرپایه آلومینایی، جدایش نانو ذرات با اشکال گوناگون و لایه نشانی ترتیبی ذرات با استفاده از میدانهای متناوب در فرکانس پایین از جمله نتایجی است که در این پژوهش به دست آمده و برای نخستین بار در دنیا گزارش شده است. در مجموع، محدوده فرکانس اعمالی (کمتر از 10 کیلوهرتز) برحسب مکانیزم ها و نیروهای غالب در هر محدوده به چهار بخش تقسیم شد و با توجه به این مکانیزم ها کاربردهایی برای هر بخش پیشنهاد شد.