题目：压电微阀执行机构与密封界面设计研究

微小卫星由于具有质量轻、成本低、研发周期短和功能密度高等优点，已成为航天领域一个重要的研究方向。微小卫星在体积和质量上的减小，要求各分系统和部件也要做相应程度的减小，更重要的是要求其能产生更精确的推力和单脉冲，以满足对姿态控制的精确度的要求。因此，需要有能在高入口压力下工作、低泄漏、低功耗的推力控制微阀。应用于传统大卫星的电磁阀及微小型化的电磁阀在功耗方面不能满足要求，采用MEMS工艺制造的微阀在功耗方面能满足要求，但是大部分不能满足高入口压力和低泄漏的要求。本文针对上述问题，设计制造了一种新型的常闭式压电微阀，对其工作特性进行了表征，并在阀芯阀座密封界面处做了深入研究。

本文设计制造出的压电微阀主要分为执行机构和阀体两部分，在执行机构中，设计了一种含有T形架的柔性铰链支架，能实现微阀的常闭功能，并能保证同时对压电堆预紧，使其能发挥出良好的动态性能。在阀体部分，采用硅片经过MEMS工艺制造出微细密封环，保证微阀在承受大工作压力的情况下有极低的泄漏率，及阀芯阀座之间有足够的开启间隙满足流量的要求。通过对微阀的执行机构建立动力学模型，从理论和实验上对其静动态特性进行了表征。执行机构的输出位移与给压电堆施加的电压基本呈线性关系，在阶跃电压下的响应时间为0.6 ms，其在频率为200 Hz的电压下仍工作良好。微阀在关闭时，在入口气压为1 MPa下的泄漏率小于0.001 mL/min；其在入口气压为0.6 MPa、驱动电压为200 V时，流量为3100 ml/min。微阀在驱动电压为直流200 V时，被完全打开，功耗为48 mW；在幅值为100 V、占空比为50%、频率为100 Hz的方波电压下，功耗约为0.9 W。

对于基于硅材料的阀芯阀座，其疲劳破坏主要体现为硅密封环的破坏。经过疲劳测试，带有密封环的纯硅阀芯或纯硅阀座的工作寿命不能满足要求，为了提升其抗疲劳性能，分别从沉积材料、增大密封环的宽度和设计抗冲击的密封环结构三方面对其进行改进，疲劳实验表明沉积聚对二甲苯是有效的提升基于硅材料的阀座的抗疲劳性能的方法。为了能从结构上进一步提升基于硅的阀座的抗冲击疲劳性能，从仿生的角度出发，选取自然界中的贝壳棱柱层作为生物原型，设计制造出了仿生抗冲击阀座。贝壳棱柱层主要由无机相组成的多边形棱柱和位于其边界的有机相网络组成，通过三点弯曲实验和压印实验得到江珧棱柱层和河蚌棱柱层的断裂韧性约为1 MPa m1/2，其是天然方解石和文石的4倍。由电镜观察可知棱柱层中的棱柱由细化的晶粒构成，相对于天然的方解石和文石提高了断裂韧性。此外，压印实验的结果表明有机相能有效地阻止裂纹的扩展，这也从一定程度上增强了贝壳棱柱层的断裂韧性。根据棱柱层的结构特征和有机相在增强其断裂韧性中所发挥的作用，设计了仿生抗冲击阀座，其采用3道宽度为10 µm、相互之间间隙为3 µm、高度为10 µm的密封环，在其上沉积一层厚度为2.5 µm的聚对二甲苯，聚对二甲苯将密封环间的间隙填充满，并将其外侧完全包覆，形成一道复合的密封环。疲劳实验的结果表明，在最大疲劳载荷低于密封环抗压强度的70%时，仿生抗冲击阀座的疲劳性能优于对比阀座。

本文的研究对微小卫星推进系统中的推力控制微阀具有重要的参考价值，为微小卫星推进系统提供了一定的技术支撑；本研究提出的仿生抗冲击阀座，创造性地将贝壳棱柱层耐冲击机理应用于微结构耐冲击设计，不但大幅度提高了微阀寿命，还具有重要的学术价值。