[发明专利]一种电场-流场混合控制的电流体喷印方法及装置

说明书

本发明公开了一种电场‑流场混合控制的电流体喷印方法及装置，属于微纳制造技术领域。本发明的方法及装置中的喷头出口管为毛细管，在毛细管下方设置具有倒角的流体出口；毛细管周围的流体在流体出口的倒角作用下，在喷头的下方形成聚焦式的稳定的流体流场；接地电极置于流体出口下方，且接地电极上设有与流体出口同轴布置的通孔；在喷头和接地电极之间施加高压静电场，毛细管内流出的电流体在高压静电场和流体流场的共同作用下形成泰勒锥并拉出射流，射流穿过流体出口和通孔进行打印。本发明将电流体喷印技术和流动聚焦技术结合，提高打印精度和分辨率，并克服常规电流体喷印无法在绝缘基板或者自由曲面的基板上进行打印的问题。

技术领域

本发明属于微纳制造技术领域，更具体地，涉及一种电场-流场混合控制的电流体喷印方法及装置。

背景技术

复杂微纳功能结构能够用于诸多领域，如柔性显示、打印/有机/柔性电子器件、多功能传感器等，因此近年来其制备工艺备受关注。喷墨打印作为非接触式图案化工艺都能够在基底上沉积微尺度结构，并且相对于光刻类的图案化工艺具有无须掩膜、节省材料、环境友好、操作便捷等优点，因而被认为是最佳的解决方案。

然而，传统的喷墨打印技术(如压电式打印和热泡式打印)通常具有最小的分辨率为20μm，所适应的打印溶液粘度一般不能够超过20cPs。除此之外，压电式打印设备结构组成复杂，对结构尺寸要求高，并且，由于压电晶体及其附件易老化造成液滴精度降低且喷头寿命短；而热气泡式打印设备存在局部加热，因而对喷射的溶液具有选择性，例如仅能喷射耐高温的材料。

在上述应用领域中，所喷印的溶液多为高质量分数的聚合物溶液，材料成本高，具有高粘度，不耐高温等特点，使得用传统喷墨工艺来打印时喷嘴容易堵塞，无法完成图案化制造。

相对于传统喷印技术，电流体喷印技术能够产生更细小的液滴与液丝，直径可以达到纳米级别。同时，电流体动力喷印技术可以喷印高分子有机物等更多种材料，使得其应用范围更加宽广，如柔性电子制造、陶瓷元件制造、组织工程等。电流体喷印技术应用电流体动力学机理，利用电场将液体从喷嘴口拉出形成泰勒锥，由于喷嘴具有较高的电势，喷嘴处的液体会受到电致切应力的作用；当局部电荷力超过液体表面张力后，带电液体从喷嘴处喷射，然后破裂成液柱或者小液滴。通过改变流速、电压、液体性质和喷嘴结构，可形成具有不同射流形状和破碎机理的电流体喷印模式，即电纺丝、电点喷和电喷雾。目前的电喷印喷嘴绝大数采用金属喷嘴和收集基板间形成高压电场，以完成电喷印过程。收集基板必须为导电材料且收集基板表面必须均匀平整以保证稳定均匀的高压电场的形成。这种模式的电流体喷印就无法在绝缘基板或者自由曲面的基板上完成打印。

发明内容

针对传统喷墨打印技术的以上缺陷以及电流体喷印技术的改进需求，本发明提供了一种电场-流场混合控制的电流体喷印装置及方法，其目的在于将电流体喷印技术和流动聚焦技术结合起来，利用外部流体的聚焦作用缩小喷头形成的射流，从而实现更高精度更高分辨率的打印，并克服常规电流体喷印无法在绝缘基板或者自由曲面的基板上进行打印的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种电场-流场混合控制的电流体喷印方法，喷头出口管为毛细管，在毛细管下方设置具有倒角的流体出口，倒角位于毛细管所在侧；毛细管周围的流体在流体出口的倒角作用下，在喷头的下方形成聚焦式的稳定的流体流场；接地电极置于流体出口下方，且接地电极上设有与流体出口同轴布置的通孔；在喷头和接地电极之间施加高压静电场，在高压静电场和流体流场的共同作用下，毛细管内流出的电流体形成泰勒锥；高压静电场和流体流场从泰勒锥尖端拉出射流，射流穿过流体出口和通孔进行打印。

进一步地，流体出口的倒角角度、毛细管管口外部倒角角度取值范围均为[0°,90°)，毛细管管口到流体出口的距离为[200μm,10cm]；通过改变流体出口的倒角角度、毛细管管口外部倒角角度以及毛细管管口到流体出口的距离中的至少一个，以形成不同流场形式的聚焦流场，从而调节射流的流速和分散度。