电纺直写射流的稳定性控制及应用研究

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电纺直写技术克服了传统喷印技术液滴体积大、墨水要求严格等缺点,已经在微纳制造领域显示出了巨大的应用潜力。如何提高射流稳定性和喷印结构的均匀性是目前研究的重点,也是促进电纺直写技术应用发展的前提。本文将针对电纺直写射流的喷射规律调控、喷射状态监测与控制等方面展开研究,并且探索电纺直写技术在微纳制造领域的应用。  首先,通过实验考察工艺参数对射流喷射过程的影响,分析了不同喷射模式及稳态射流的工艺调控规律;通过建立仿真模型分析了实验参数对射流直径的影响,电纺直写射流拉伸率较小,沉积于收集板时射流直径主要取决于初始直径。对于稳态喷射下的液态射流沉积,若收集板运动速度小于射流喷射速度,则其结构线宽W主要受供液速度Q和收集板运动速度v影响,有W2~Q/v。  其次,考察了射流的两种不稳定现象:(1)探索了射流悬挂珠链结构的形成机理,悬挂珠链结构源于收集板上已沉积溶液表面电荷的不断积累;当主液滴所携带的电荷达到“雷诺极限”时,就会抑制后续带电射流的继续融入;溶液表面电荷产生的库仑斥力促使后续射流在空中聚集成为悬空的珠粒,继而形成珠链结构;降低电压、提高溶液和收集板电导率都可以抑制这种不稳定现象的产生;(2)研究了射流鞭动不稳定性的环境作用规律,真空度的减小可抑制射流的不稳定鞭动,但过小的真空度不利于射流的产生;当真空度从101kPa减小到30kPa时,PVP/甘油溶液的稳定射流长度由31.4mm增加到100mm。环境湿度的增加也会增强射流稳定性,但增强幅度较小;而温度的增加则会增强射流的不稳定鞭动。通过调节真空度成功实现了远距离(100mm)条件下的有序纳米纤维电纺直写及图案化沉积控制,为传统静电纺丝技术提供了一种射流稳定性及沉积范围实时可控的新途径。  分析了不同喷射模式的电流特性,研究了稳定电纺直写过程中电流与实验参数的关系。电纺直写电流将随着电压和供液速度的增加而增加;电流与射流直径呈正相关性。根据电流规律搭建了电流闭环反馈控制系统,通过稳定喷射过程中的电流值来提高射流的稳定性和电纺直写微纳结构的均匀性。加入电流闭环反馈控制后,电纺直写纳米纤维及微米薄膜的均匀性都有一定程度的提高,纳米纤维直径及微米薄膜线宽的变异系数均小于0.1。  运用电纺直写技术制作了典型元件的原理样机。以银墨水为原料喷印导电功能性微纳结构,可获得直径45~55μm的离散银液滴和60μm线宽的直线结构;实现了电阻、电感、电容等无源元件及柔性电路的全喷印制造。利用电纺直写纳米纤维做牺牲层,实现了宽度133nm~13.54μm的微纳沟道的低成本、快速制作。利用电纺直写技术在图案化硅基底上制作ZnO半导体纳米纤维,构造了n型ZnO纳米纤维场效应器件及ZnO/CuO纳米纤维pn结等有源元件。  本文的研究结果有助于加深对电纺直写射流喷射规律的理解,实现射流喷射行为的有效监测与调控,进一步提高射流的均匀性和稳定性,对于推动电纺直写技术的产业化应用和精密电纺直写系统设备的开发具有推动作用。
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