CN102922891A

CN102922891A - 金属微纳结构电液喷印装置

Info

Publication number: CN102922891A
Application number: CN2012104181774A
Authority: CN
Inventors: 郑高峰; 刘静静; 郑建毅; 王鸿雁; 王翔; 卫瑾; 何广奇; 孙道恒
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2032-10-26
Also published as: CN102922891B

Abstract

金属微纳结构电液喷印装置，涉及一种静电喷射装置。提供一种连续性好、稳定性好、能实现精确喷印制造金属微纳结构的金属微纳结构电液喷印装置。设有压力控制器、供料槽、加热器、绝缘套筒、控温冷凝管、高压脉冲电源、辅助电源、约束电极环、抽气接口、进气接口、压力阀、压力表、收集板、保护罩、计算机、温度控制器、喷头和环形通气孔。结合了交流电液喷印和环绕气氛气体聚焦的优点，能达到连续性好、稳定性好、精确喷印制造金属微纳结构的目的。

Description

金属微纳结构电液喷印装置

技术领域

本发明涉及一种静电喷射装置，尤其是涉及一种能实现精确喷射的金属微纳结构电液喷印装置。

背景技术

金属微纳米结构制造已经成为了目前微纳技术发展的一个重要研究领域，在导电互连结构、微纳系统功能结构构造等领域具有广泛的应用前景。相比于传统曝光、刻蚀技术，喷印技术在微纳结构构建方面显示出明显的优势，如不需要掩膜版、无需曝光、简化工艺流程、降低成本等。因此，喷墨打印技术被称为下一代电子产业最具潜力的制造技术，而倍受工业界和学术界的广泛关注。

电液耦合喷印作为一种新兴的喷印技术在提高喷印速度、减小喷印微纳结构尺寸等方面显示出独特的作用。传统电液喷印是利用高压电场拉伸黏弹性溶液变形生成泰勒锥，并从泰勒锥锥尖产生射流喷射。微纳结构射流喷射源于泰勒留锥锥尖，对喷头内径依赖小降低了喷印设备的制造要求。但现有电液喷印仍主要是针对聚合特粘弹性溶液开展喷印工艺研究，而其已经成为聚合特微纳结构重要的制造技术之一([1]Ramakrishna S.,Jose R.,Archana PS,NairAS,Balamurugan R.,Venugopal J.,Teo WE.Science and engineering of electrospun nanofibers foradvances in clean energy,water filtration,and regenerative medicine[J].Journal of MaterialsScience,2010:1-30.)。对于聚合物熔融液的喷印也逐渐吸了研究者的更广泛的关注，相比于聚合物溶液，聚合物熔融液属于单相液体在喷印过程更为稳定、易于控制([2]Malakhov S.N.,Khomenko A.Y.,Belousov S.I.,Prazdnichnyi A.M.,Chvalun S.N.,Shepelev A.D.,Budyka A.K.Method of manufacturing nonwovens by electrospinning from polymer melts[J].Fibre Chemistry,2009,41(6):355-359.)。

目前，进行导电、传感等功能性微纳结构的直接喷印制造是喷印技术在微纳系统制造及其工业化应用的关键。采用高导率溶液作为喷印原料时，电液喷印射流表面电荷密度过大容易发生电晕放电，使射流所受到的电场力骤然下降，射流回缩并发生振荡；高电荷密度也将诱使射流发生破裂产生喷雾，而难以进行微纳结构的有序喷印制造。采用交流高压电源，正负电压连续交替使射流呈电中性，避免了射流表面电荷密度过大而产生电晕放电，为高导电率溶液的纺丝喷印提供了一种有效的控制方式。采用交流脉冲高压电源可诱使导电溶液产生稳定的锥-射流喷印模式，从而进行连续微纳结构的有序喷印制备([3]Tripatanasuwan S.,Reneker D.H.Corona discharge from electrospinning jet of poly(ethylene oxide)solution[J].Polymer,2009,50(8):1835-1837.)。但空间电场的交替变化增加了连续射流喷印的不稳定性，射流出现伸缩跳动现象限制了微纳结构的精确定位沉积及其推广应用。

利用环形结构构造聚焦气流对纺丝射流进行约束聚焦，可以有效地约束射流的鞭动、跳跃等不稳定行为，提高射流喷印的稳定性、延长射流稳定直线阶段的长度，益于射流喷印的精确控制。基于Aerosol Jet喷印设备，利用鞘气气体对雾化纳米颗粒(颗粒直径80nm)进行聚焦喷印，鞘气聚焦约束了纳米颗粒的运动范围，可喷印制造线宽5~30μm的导线结构(喷嘴内径100~300μm)([4]Xu Bulei,Lv Wenlong,Wang Xiang,Lei Tingping,Zheng Gaofeng,Zhao Yang,Sun Daoheng.Conductive Micro Silver Wires via Aerosol Deposition[C].NEMS 2012,Kyoto,JAPAN,March 5-8,2012:364-367.)。

发明内容

本发明的目的是提供一种连续性好、稳定性好、能实现精确喷印制造金属微纳结构的金属微纳结构电液喷印装置。

本发明设有压力控制器、供料槽、加热器、绝缘套筒、控温冷凝管、高压脉冲电源、辅助电源、约束电极环、抽气接口、进气接口、压力阀、压力表、收集板、保护罩、计算机、温度控制器、喷头和环形通气孔；

供料槽设于压力控制器下方，供料槽下部设有供料通道，供料通道采用热良导体制成，加热器设于供料通道外围，喷头设于供料通道下端，绝缘套筒设于喷头正下方，控温冷凝管设于绝缘套筒外围，控温冷凝管的控制端接温度控制器，高压脉冲电源正极通过导线接喷头，高压脉冲电源负极接地，约束电极环设于绝缘套筒底端，约束电极环接辅助电源正极，辅助电源负极接地，收集板设于绝缘套筒下方，收集板接地，保护罩上设有抽气接口、进气接口、压力阀、压力表，抽气接口外接真空泵，进气接口经压力阀外接供气气源，绝缘套筒、控温冷凝管、约束电极环、收集板、温度控制器和喷头置于保护罩内，加热器和温度控制器的控制端均接计算机，加热器前端设有温度检测反馈元件，环形通气孔设于保护罩上表面，喷头位于环形通气孔中，并与环形通气孔、绝缘套筒同轴。

所述保护罩内的气体压强最好为10^-2×10⁵Pa。

所述喷头内径可为50~500μm，喷头底端与绝缘套筒上端最好处于同一水平面。

所述绝缘套筒内径可为2~5cm，长度可为3~10cm，绝缘套筒底端距收集板的距离可为0.05~3mm。

所述高压脉冲电源可采用频率为0.01~1000Hz、电压幅值为-6~6kV的高压脉冲电源。

所述控温冷凝管可采用控温范围为5℃至室温的控温冷凝管。

所述环形通气孔内径最好为所述喷头内径的2~3倍；所述环形通气孔与进气接口经气路连通。

与现有技术比较，本发明具有如下突出优点：

可以调节保护罩内气体的压强，或进行不同气压条件下的喷印实验。喷印过程中保护罩可通以气氛气体(如惰性气体)用于保护金属熔融射流不被氧化；或通入反应气体与熔融金属射流发生反应直接制造具有特殊功能性金属微纳结构；或进行抽气保护，使保护罩中处于低气压状态，实现熔融射流的真空环境喷射。

可通过计算机调节喷头和绝缘套筒内的温度。加热器可调控供料槽通道温度（可为50~500℃），加热器前端所设的温度检测反馈元件将温度信息反馈给计算机，同时计算机可以向加热器输入温度设定信息。

以金属微纳颗粒或粉末作为原料进行喷印制备。发明装置上设有加热装置提高喷头温度，使原料发生熔融；施加电压电场，诱使熔融状原料产生射流喷射。

引入脉冲高压电源，利用交流电场诱导导电溶液产生稳定的射流喷印，克服传统电液喷印技术不能利用导电溶液进行有序连续微纳结构精确喷印制造的缺点；并且喷头上加载有环形进气孔，利用环绕气氛气体约束射流鞭动、跳跃等不稳定行为以提高射流喷印过程的稳定性，提高金属微纳结构尺寸和定位的精度。喷头下方设有绝缘套筒用于约束抑制射流无序不稳定运动，提高射流直线稳定喷射阶段的长度，利用稳定射流进行有序金属微纳结构的有序高精度制造。同时，绝缘套筒底端设有约束电极环用于约束射流沉积前的跳动行为，克服收集板上残余电荷和已沉积微纳结构对射流运动的影响，利于复杂、多层图案的精确喷印制造。

在绝缘套筒设置温控冷凝管控制射流喷射过程的环境温度，调节熔融射流的凝固速度。依据电液喷印原理，射流的直径是喷印微纳结构尺寸的重要影响因素。射流从泰勒锥锥尖射出后携带走喷头附近聚集的电荷，在电场力的作用向收集板加速运动；射流在凝固过程中而不断被拉伸变细；在这个过程中射流逐渐由液体特性转变为固体特性，射流液体特性显著时更易于被拉伸细化。熔融射流喷印过程中，环境温度越低射流凝固速度越快，射流越难以被拉伸细化，射流直径和所获得的喷印微纳结构的尺寸也将越大；反之提高环境温度将减缓射流凝固速度，促进射流的拉伸细化，减小喷印微纳结构的尺寸。温控冷凝管的引入为金属微纳结构的喷印提供了一种有效的尺寸控制手段，同时稳定射流的凝固速度提高了射流凝固过程的稳定性。

本发明结合了交流电液喷印和环绕气氛气体聚焦的优点，能达到连续性好、稳定性好、精确喷印制造金属微纳结构的目的。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例设有压力控制器1、供料槽2、加热器3、绝缘套筒4、控温冷凝管5、高压脉冲电源6、辅助电源7、约束电极环8、抽气接口9、进气接口10、压力阀11、压力表12、收集板13、保护罩14、计算机15、温度控制器16、喷头17和环形通气孔18；

供料槽2设于压力控制器1下方，供料槽2下部设有供料通道，供料通道采用热良导体制成，加热器3设于供料通道外围，喷头17设于供料通道下端，绝缘套筒4设于喷头17正下方，控温冷凝管5设于绝缘套筒4外围，控温冷凝管5的控制端接温度控制器16，高压脉冲电源6正极通过导线接喷头17，高压脉冲电源6负极接地，约束电极环8设于绝缘套筒4底端，约束电极环8接辅助电源7正极，辅助电源7负极接地，收集板13设于绝缘套筒4下方，收集板13接地，保护罩14上设有抽气接口9、进气接口10、压力阀11、压力表12，抽气接口9外接真空泵，进气接口经压力阀11外接供气气源，绝缘套筒4、控温冷凝管5、约束电极环8、收集板13、温度控制器16和喷头17置于保护罩14内，加热器3和温度控制器16的控制端均接计算机15，加热器前端设有温度检测反馈元件，环形通气孔18设于保护罩14上表面，喷头17位于18环形通气孔中，并与环形通气孔10、绝缘套筒4同轴。

所述保护罩14内的气体压强可为10^-2×10⁵Pa。所述喷头17内径可为50~500μm，喷头底端与绝缘套筒4上端处于同一水平面。所述绝缘套筒4内径可为2~5cm，长度可为3~10cm，绝缘套筒4底端距收集板13的距离可为0.05~3mm。所述高压脉冲电源6采用频率为0.01~1000Hz、电压幅值为-6~6kV的高压脉冲电源。所述控温冷凝管采用控温范围为5℃至室温的控温冷凝管。所述环形通气孔18内径为所述喷头内径的2~3倍；所述环形通气孔18与进气接口10有气路连通。

压力控制器1可调节喷印过程中原料的供给速度。微纳米金属颗粒或粉末等喷印原料放置于供料槽2中。加热器3用以调控原料温度，使其逐渐升温。在喷头17处喷印原料成为熔融状。绝缘套筒4上的感应电荷将对带电射流产生约束作用，抑制射流螺旋、鞭动等不稳定运动状态的产生，有利于以提高喷射微纳结构的定位精度。控温冷凝管5通有冷却液体，可以调节绝缘套筒4内的温度。通过改变绝缘套筒4内的温度可以调节金属熔融射流的凝固速度。处于熔融状的射流易于受电场力拉伸而变细，而凝固后的射流将难以再进一步被拉伸变细。控温冷凝管的为喷印微纳结构的尺寸控制提供了一种有效的调控手段。同时，熔融射流凝固速度的控制也利于控制射流的熔液特性和固体特性的转变，克服射流固化速度不均匀而引起的干扰。高压脉冲电源6正极向喷头17提供高压电势，形成熔融状的金属原料在高压电场的作用下发生形变产生泰勒锥，并最终由泰勒锥锥尖产生射流喷射。射流喷射时将携带走聚焦于泰勒锥表面的电荷。约速电极环8可进一步加速喷印射流，益于控制其沉积位置。

抽气接口9与真空泵相通，可抽去保护罩14内的气体使保护罩14处于真空状态或低气压状态，可实现在低压力条件的喷印，并为特定气氛气体的通入提供条件。进气接口10经压力阀11与供气气源相连，可以调节保护罩14内气体的压强，或进行不同气压条件下的喷印实验。收集板13用于接收喷印的金属微纳结构。喷印过程中保护罩14可通以气氛气体（如惰性气体。在需要气氛气体时环形通气孔18可以流通气氛气体）用于保护金属熔融射流被氧化；或通入反应气体与熔融金属射流发生反应直接制造具有特殊功能性金属微纳结构；或进行抽气保护，使保护罩14中处于低气压状态，实现熔融射流的真空环境喷射。

Claims

1.金属微纳结构电液喷印装置，其特征在于设有压力控制器、供料槽、加热器、绝缘套筒、控温冷凝管、高压脉冲电源、辅助电源、约束电极环、抽气接口、进气接口、压力阀、压力表、收集板、保护罩、计算机、温度控制器、喷头和环形通气孔；

供料槽设于压力控制器下方，供料槽下部设有供料通道，加热器设于供料通道外围，喷头设于供料通道下端，绝缘套筒设于喷头正下方，控温冷凝管设于绝缘套筒外围，控温冷凝管的控制端接温度控制器，高压脉冲电源正极通过导线接喷头，高压脉冲电源负极接地，约束电极环设于绝缘套筒底端，约束电极环接辅助电源正极，辅助电源负极接地，收集板设于绝缘套筒下方，收集板接地，保护罩上设有抽气接口、进气接口、压力阀、压力表，抽气接口外接真空泵，进气接口经压力阀外接供气气源，绝缘套筒、控温冷凝管、约束电极环、收集板、温度控制器和喷头置于保护罩内，加热器和温度控制器的控制端均接计算机，加热器前端设有温度检测反馈元件，环形通气孔设于保护罩上表面，喷头位于环形通气孔中，并与环形通气孔、绝缘套筒同轴。

2.如权利要求1所述的金属微纳结构电液喷印装置，其特征在于所述保护罩内的气体压强为10^-2×10⁵Pa。

3.如权利要求1所述的金属微纳结构电液喷印装置，其特征在于所述喷头内径为50~500μm，喷头底端与绝缘套筒上端处于同一水平面。

4.如权利要求1所述的金属微纳结构电液喷印装置，其特征在于所述绝缘套筒内径为2~5cm，长度为3~10cm，绝缘套筒底端距收集板的距离为0.05~3mm。

5.如权利要求1所述的金属微纳结构电液喷印装置，其特征在于所述高压脉冲电源采用频率为0.01~1000Hz、电压幅值为-6~6kV的高压脉冲电源。

6.如权利要求1所述的金属微纳结构电液喷印装置，其特征在于所述环形通气孔内径为所述喷头内径的2~3倍。

7.如权利要求1所述的金属微纳结构电液喷印装置，其特征在于所述环形通气孔与进气接口经气路连通。

8.如权利要求1所述的金属微纳结构电液喷印装置，其特征在于所述控温冷凝管的温度调整范围为5℃至室温。