CN114734063A - 一种等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置及方法 - Google Patents

一种等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114734063A
CN114734063A CN202210426056.8A CN202210426056A CN114734063A CN 114734063 A CN114734063 A CN 114734063A CN 202210426056 A CN202210426056 A CN 202210426056A CN 114734063 A CN114734063 A CN 114734063A
Authority
CN
China
Prior art keywords
plasma
medium pipe
module
ink
liquid metal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210426056.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114734063B (zh
Inventor
叶冬
李奥康
蒋宇
谢寒
黄永安
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huazhong University of Science and Technology
Original Assignee
Huazhong University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huazhong University of Science and Technology filed Critical Huazhong University of Science and Technology
Priority to CN202210426056.8A priority Critical patent/CN114734063B/zh
Publication of CN114734063A publication Critical patent/CN114734063A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114734063B publication Critical patent/CN114734063B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/22—Direct deposition of molten metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/50—Treatment of workpieces or articles during build-up, e.g. treatments applied to fused layers during build-up
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/50—Means for feeding of material, e.g. heads
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/10—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern
    • H05K3/14—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern using spraying techniques to apply the conductive material, e.g. vapour evaporation
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2203/00—Indexing scheme relating to apparatus or processes for manufacturing printed circuits covered by H05K3/00
    • H05K2203/01—Tools for processing; Objects used during processing
    • H05K2203/0104—Tools for processing; Objects used during processing for patterning or coating
    • H05K2203/0121—Patterning, e.g. plating or etching by moving electrode
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

本发明属于柔性/曲面电子微纳制造相关技术领域，其公开了一种等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置及方法，该打印装置包括墨水模块、等离子体射流模块、隔绝鞘气模块、该等离子体射流模块及该隔绝鞘气模块分别连接于该墨水模块；该墨水模块用于将打印用的液态金属墨水输送到喷嘴中，该等离子体射流模块用于放电产生等离子体射流，该隔绝鞘气模块用于产生隔离液态金属墨水和等离子体射流的鞘气气流；该墨水模块、该等离子体射流模块及该隔绝鞘气模块相互配合以实现等离子体射流自身局域动态强电场诱导电流体生成泰勒锥。本发明解决了复杂型面绝缘基板液态金属电路的打印成形难题，为柔性/曲面电子器件的高效共形喷印制造提供了技术支撑。

Description

一种等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置及方法
技术领域
本发明属于柔性/曲面电子微纳制造相关技术领域，更具体地，涉及一种等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置及方法。
背景技术
在柔性电子技术飞速发展的当下，对设备的便携性、多场景适用性、可穿戴性有了更大的需求，电子设备柔性化、曲面化、可拉伸化成为必然趋势。导电材料作为关键部分，新材料及其成形工艺的研发重要性不言而喻。液态金属是一类在室温下仍具有可流动性的高电导率金属导体。用液态金属制备的电路在大应变和长时间的拉伸循环下仍可保持良好的导电性，并且具有自修复能力，避免电路断裂现象，是制备柔性导电材料的理想选择之一，是柔性电子领域具有广大前景的先进材料。
电流体喷印利用强电场诱导喷嘴处的墨液发生流变以形成泰勒锥，墨液从泰勒锥顶端射出，实现微纳米尺寸喷印，突破了传统喷印墨水兼容性、打印分辨率低等技术瓶颈，具有分辨率高、墨液兼容性佳、材料可打印方位广、打印模式多样等独特优势。液态金属通常使用传统喷印技术打印，常用挤压的方式将墨液挤出，图案化分辨率低，定位精度低且销量较低。将液态金属制备成液态金属墨水便可顺利地利用电流体喷印技术在基板上打印出高进度高分辨率的液态金属电路。
液态金属墨水中的液态金属在分散剂作用下被分散为亚微米级的颗粒并扩散在有机溶剂中，墨水经由电流体喷印打印在基板上，有机溶剂挥发之后成为三层包裹的密集细小颗粒，三层由内而外分别是：液态金属、氧化层、有机物层(分散剂)。目前打破氧化层和有机物层使液态金属颗粒连接成电路的方法主要有两种：机械挤压和激光烧结。机械挤压通过施加外力使液态金属保护层破裂，但机械挤压由于直接接触会带走部分液态金属，易受到基板形状(曲面)、材料(脆性材料挤压破碎)的限制；激光烧结通过高温使液态金属膨胀从而涨破保护层，效率精度较高，但激光作用在聚合物基板上会对基板造成损坏。相较之下，利用等离子体焊接液态金属墨水可以在曲面上进行，对于基底也不会造成损害，既能提高焊接的灵活性，又能保证液态金属电路的精度。
随着柔性器件制备对基底的选择越来越苛刻，单纯的电流体喷印难以满足在大面积厚绝缘基底上打印电子器件的需求，一方面是难以达到维持稳定锥射流产生的临界电场强度，另一方面是曲面或已打印结构使空间电场产生畸变，墨液在绝缘表面沉积后的残留电荷产生排斥力会影响墨水射流/墨滴的飞行定位。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置及方法，其采用等离子体射流自身动态电场诱导喷射-同步焊接液态金属墨水，以实现曲面的墨水射流/墨滴高精度高分辨率的精准定位沉积，解决了复杂型面绝缘基板液态金属电路的打印成形难题，为柔性/曲面电子器件的高效共形喷印制造提供了技术支撑。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置，所述打印装置包括墨水模块、等离子体射流模块、隔绝鞘气模块、所述等离子体射流模块及所述隔绝鞘气模块分别连接于所述墨水模块；所述墨水模块用于将打印用的液态金属墨水输送到喷嘴中，所述等离子体射流模块用于放电产生等离子体射流，所述隔绝鞘气模块用于产生隔离液态金属墨水和等离子体射流的鞘气气流；
所述墨水模块、所述等离子体射流模块及所述隔绝鞘气模块相互配合以实现等离子体射流自身局域动态强电场诱导电流体生成泰勒锥，进而实现驱动墨滴射流喷射；同步地，在等离子体射流的作用下，沉积后的液态金属墨水里的液态金属颗粒的保护层受物理化学作用而破裂，液态金属颗粒融合，实现了液态金属原位同步焊接。
进一步地，所述墨水模块包括内层玻璃管及固定结构，接地电极的一端伸入所述内层玻璃管内；所述等离子体射流模块包括外层介质管及等离子通道玻璃介质管，所述隔绝鞘气模块包括中间层介质管及鞘气通道玻璃介质管，所述中间层介质管设置在所述外层介质管内，所述内层玻璃管的一端穿过所述固定结构后伸入所述中间层介质管内；所述中间层介质管及所述外层介质管的一端分别连接于所述固定结构；所述内层玻璃管与所述中间层介质管之间形成有第二环形槽；所述外层介质管与所述中间层介质管之间形成有第一环形槽；所述等离子通道玻璃介质管连接于所述外层介质管，且其与所述第一环形槽相连通，通过所述等离子通道介质管向所述第一环形槽内通入惰性气体；所述鞘气通道玻璃介质管连接于所述中间层介质管，且其与所述第二环形槽相连通，通过所述鞘气通道玻璃介质管向所述第二环形槽内通入隔绝鞘气；所述内层玻璃管用于连接供墨系统，以将液态金属墨水传送到所述内层玻璃管中。
进一步地，所述内层玻璃管收容于所述中间层介质管的一端形成有锥形缩口；所述中间层介质管收容于所述外层介质管的一端形成有锥形缩口；所述外层介质管远离所述固定结构的一端形成有锥形缩口。
进一步地，所述外层介质管的锥形缩口的顶角角度大于所述中间层介质管的锥形缩口的顶角角度。
进一步地，所述中间层介质管的锥形缩口的顶角角度大于所述内层玻璃管的锥形缩口的顶角角度。
进一步地，所述接地电极靠近所述内层玻璃管的锥形缩口的一端收容在所述内层玻璃管的锥形缩口内；所述内层玻璃管的中心轴、所述外层介质管的中心轴与所述中间层介质管的中心轴重合。
进一步地，所述等离子通道玻璃管槽及所述鞘气通道玻璃管槽分别位于所述接地电极的两侧，且所述等离子通道管槽距离所述固定结构的距离大于所述鞘气通道玻璃管槽距离所述固定结构的距离。
进一步地，所述固定结构包括固定凸台及固定槽，所述固定凸台的一端收容在所述固定槽内；所述打印装置还包括连接体，所述连接体的一端连接于所述固定槽，另一端连接于所述中间层介质管及所述外层介质管；所述等离子通道玻璃介质管连接所述外层介质管的一端及所述连接体；所述鞘气通道玻璃介质管设置在所述连接体内。
进一步地，所述外层介质管的材料及所述中间层介质管的材料均为高介电材料。
按照本发明的另一个方面，提供了一种打印方法，所述打印方法是采用如上所述的等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置进行打印的。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置及方法主要具有以下有益效果：
1.所述打印装置利用等离子体射流自身局域动态强电场诱导电流体喷印，利用等离子体射流的流场约束墨水射流的飞行通道，可以实现墨水射流/墨滴的精准定向运输，实现了液态金属墨水的高精度打印，同步地，沉积后的液态金属墨水在等离子体射流作用下实现了烧结焊接，实现在复杂绝缘曲面上稳定高效制备电路。
2.本发明针对柔性/曲面电子高性能导电电路高分辨率制造难题，提供了一种等离子体射流自身局部强电场同轴诱导喷墨打印的装置及同步焊接液态金属墨水的方法，利用等离子体射流自身的局域动态强电场来诱导电流体泰勒锥，实现驱动液态金属墨水喷射，利用等离子体射流的流场约束墨水射流的飞行通道，实现墨水射流/墨滴的精准定向运输。同时，该方法具有高度灵活性，在生产中不受限于复杂的掩膜设计，可以赋予液态金属电路任意图案化功能，为液态金属电路的高效共形喷印制造提供了技术支撑。
3.本发明利用等离子体射流原位实时烧结焊接液态金属墨水，即利用等离子体射流轰击刻蚀液态金属颗粒、液态金属颗粒间放电击穿、局部热效应打破液态金属颗粒的保护层，使得液态金属颗粒融合形成高导电率电路。
附图说明
图1是本发明提供的一种等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置的剖面示意图；
图2是图1中的等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置处于工作状态时的局部示意图；
图3是图1中的等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置的工作简图；
图4是液态金属墨水中液态金属颗粒的SEM图；
图5是液态金属颗粒的放大TEM示意图；
图6是液态金属墨水焊接后液态金属的SEM图；
图7是液态金属墨水焊接前后的电阻阻值变化示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-内层玻璃管，2-接地电极，3-固定凸台，4-等离子通道玻璃管槽，5-等离子通道玻璃介质管，6-外层介质管，7-中间层介质管，8-鞘气通道玻璃介质管，9-鞘气通道玻璃管槽，10-固定槽，11-等离子体射流，12-喷头下方空间，13-基底，14-液态金属墨水，15-等离子体头部正电荷，16-鞘气气流，17-负电荷，18-液态金属电路，19-液态金属颗粒，20-液态金属，21-氧化层，22-有机物层，23-融合液态金属。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1、图2及图3，本发明提供了一种等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置，所述打印装置包括墨水模块、等离子体射流模块、隔绝鞘气模块、所述等离子体射流模块及所述隔绝鞘气模块分别连接于所述墨水模块。所述墨水模块用于将打印用的液态金属墨水输送到喷嘴中，所述等离子体射流模块用于放电产生等离子体射流，所述隔绝鞘气模块用于产生隔离液态金属墨水和等离子体射流的鞘气气流。所述墨水模块、所述等离子体射流模块及所述隔绝鞘气模块相互配合以实现等离子体射流自身局域动态强电场诱导电流体生成泰勒锥，进而实现驱动墨滴射流喷射，实现了墨水射流/墨滴的精准定向运输，同步地，在等离子体射流的作用下，沉积后的液态金属墨水里的液态金属颗粒的保护层受多种物理化学作用而破裂，液态金属颗粒融合，实现了液态金属原位同步高效焊接，具有在复杂绝缘曲面上稳定高效制备电路的能力。
所述墨水模块包括内层玻璃管1、固定凸台3及固定槽10，所述内层玻璃管1的一端形成有锥形缩口。所述固定凸台3的一端设置在所述固定槽10内，所述内层玻璃管1形成有锥形缩口的一端穿过所述固定凸台3后收容于所述隔绝鞘气模块内。其中，所述内层玻璃管1用于连接供墨系统，所述供墨系统以低流速的状态输送液态金属墨水到所述内层玻璃管1中直至其锥形缩口处。
所述固定凸台3呈T字型，其开设有第一通孔。所述固定槽10呈圆环状，其形成有第一通槽。所述固定凸台3的一端收容在所述第一通槽内，所述第一通孔用于供所述内层玻璃管1穿过。接地电极2的一端伸入所述内层玻璃管1内，且该端邻近所述内层玻璃管1的锥形缩口设置。
本实施方式中，所述固定凸台3与所述第一通槽的槽壁之间为过渡配合，以保证两者之间的配合面具有足够大的摩擦力，并且均满足拆装需求；所述内层玻璃管1的外壁与所述第一通孔的孔壁之间为过渡配合。
所述等离子射流模块包括等离子通道玻璃管槽4、等离子通道玻璃介质管5及外层介质管6，所述外层介质管6的一端通过连接体连接于所述固定槽10及所述固定凸台3。所述等离子通道玻璃管槽4的一端连接所述连接体及所述外层介质管6的一侧，所述等离子通槽玻璃介质管5的一端设置在所述等离子通道玻璃管槽4内。
所述连接体为圆环状，其形成有第三通孔，所述第三通孔用于供所述内层玻璃管1通过，且其中心轴与所述第一通孔的中心轴重合。所述连接体的侧面还开设有鞘气通道玻璃管槽9，所述鞘气通通道玻璃管槽9沿径向设置，其底面开设有第四通孔，所述第四通孔与所述第三通孔相连通，且两者的中心轴相互垂直。所述连接体邻近所述鞘气通道玻璃管槽9的一端连接于所述固定槽10邻近所述等离子射流模块的一端及所述固定凸台3收容于在所述第一通槽内的一端。
所述外层介质管6的一端连接于所述连接体远离所述固定凸台3的一端，另一端形成有锥形缩口。所述外层介质管6连接于所述连接体的一端开设有第二通孔，所述第二通孔贯穿所述外层介质管6的管壁。所述等离子通道玻璃管槽4形成有第二通槽，所述第二通槽与所述第二通孔相连通，且两者的中心轴重合。所述等离子通道玻璃介质管5的一端收容在所述第二通槽内，且其通过所述第二通孔与所述外层介质管6相连通。
所述隔绝鞘气模块包括中间层介质管7及鞘气通道玻璃介质管8，所述鞘气通道玻璃介质管8的一端设置在所述鞘气通道玻璃管槽9内，其通过所述第四通孔与所述第三通孔相连通。所述中间层介质管7收容在所述外层介质管6内，其一端连接于所述连接体，另一端形成有锥形缩口。所述中间层介质管7的管孔与所述第三通孔相连通，且两者的中心轴重合。所述中层层介质管7的管孔的中心轴与所述外层介质管6的中心轴重合。
所述内层玻璃管1的一端收容在所述中间层介质管7内，所述内层玻璃管1与所述第三通孔的孔壁及所述中间层介质管7之间形成第二环形槽，所述第二环形槽与所述鞘气通道玻璃介质管8相连通，通过所述鞘气通道玻璃介质管8向所述第二环形槽内通入隔绝鞘气。所述中间层介质管7与所述外层介质管6之间形成有第一环形槽，所述第一环形槽通过所述第二通孔与所述等离子通道玻璃介质管5相连通，通过所述等离子通道介质管5向所述第一环形槽内通入惰性气体。
所述内层玻璃管1形成有锥形缩口的一端收容于所述中间层介质管7中且邻近所述中间层介质管7的锥形缩口设置，另一端凸出于所述固定凸台3。所述中间层介质管7形成有锥形缩口的一端收容于所述外层介质管6内，所述等离子通道玻璃管槽4及所述鞘气通道玻璃管槽9分别位于所述连接体的两侧，且所述等离子通道玻璃管槽4距离所述固定凸台3的距离大于所述鞘气通道玻璃管槽9距离所述固定凸台3的距离。所述外层介质管6的材料及所述中间层介质管7的材料均为高介电材料，以隔绝等离子体射流11的电场，防止对液态金属墨水产生影响。
所述外层介质管6的锥形缩口的顶角角度大于所述中间层介质管7的锥形缩口的顶角角度，以保证所述外层介质管6和所述中间层介质管7所形成的第一环形槽在锥面处逐渐变窄。所述中间层介质管7的锥形缩口的顶角角度大于所述内层玻璃管1的锥形缩口的顶角角度，以保证所述中间层介质管7和所述内层玻璃管1所形成的第二环形槽在锥面处逐渐变窄。
所述接地电极2靠近所述内层玻璃管1的锥形缩口的一端收容在所述内层玻璃管1的锥形缩口内。所述内层玻璃管1的中心轴、所述外层介质管6的中心轴与所述中间层介质管7的中心轴重合。
所述中间层介质管7的锥形缩口被所述外层介质管6的锥形缩口遮住，以避免所述等离子体射流11与所述内层玻璃管1的锥形缩口处形成的泰勒锥直接接触而导通，防止等离子体子头部正电荷15与负电荷17中和而无法形成泰勒锥射流，最终沉积于基底13上，实现墨水射流/墨滴的精准定位沉积，且所述基底13可以是平面或者曲面、导电或者绝缘的基底。
本实施方式中，液态金属墨水选自常温下保持液态的金属或者合金，优选地，所述液态金属选自以下一种或者多种：镓、镓铟合金(EGaIn)、镓铟锡合金(Galinstan)、铋锡合金、铋锡铅铟合金，更优选地，所述液态金属为EGaIn或Galinstan。
所述液态金属墨水的配制包括以下步骤：
(1)配制高浓度“分散剂/有机溶剂”溶液
分散剂选用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，有机溶剂选用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，按1：9的比例混合分散剂和有机溶剂，在50℃下搅拌2h。
(2)按1：10的比例将液态金属与步骤(1)得到的溶液充分混合。
(3)按7：3的比例将剩余有机溶剂与步骤(2)得到的混合液充分混合。
(4)低温水浴超声。
本发明还提供了一种打印方法，所述打印方法是采用如上所述的等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置进行喷印的。所述打印方法主要包括以下步骤：
S1，将所述内层玻璃管1远离所述外层介质管6的一端与供墨系统相连接，所述供墨系统以低流速的状态输送液态金属墨水到所述内层玻璃管1中直至其缩口处，所述接地电极2接地，所述等离子通道玻璃介质管5连接供气系统，所述供气系统向所述等离子通道玻璃介质管5内通入惰性气体，具体为He或Ar气体，高电压使得通入的惰性气体发生电离而产生等离子体射流11，所述等离子体射流11进入所述外层介质管6内并沿着所述第一环形槽向下喷射，从所述外层介质管6的锥形缩口处喷射而出后进入喷头下方空间12；所述鞘气通道玻璃介质管8连接供气系统，所述供气系统向所述鞘气通道玻璃介质管8内通入隔绝鞘气，具体为氮气，形成的鞘气气流16沿着所述第二环形槽向下喷射，从所述外层介质管6的锥形缩口处喷射而出后进入喷头下方空间12并扩散。
S2，当所述等离子体射流11喷射至所述中间层介质管7的锥形缩口附近区域时，所述等离子体头部正电荷15使得所述内层玻璃管1的锥形缩口处的液态金属墨水表面极化产生负电荷17，鞘气气流16将等离子体射流11和液态金属墨水14隔绝开以避免在所述内层玻璃管1的端口处的墨水与等离子体接触而抵消了负电荷17。所述等离子体正电荷15喷头内部大致出口处构建了局部动态强电场，墨液在重力、表面张力、粘性力和电场力的综合作用下逐渐发生形变以形成泰勒锥，并喷射出微细的液态金属墨水14，液态金属墨水射流在喷头下方空间12受到等离子体射流11的同轴约束而保持稳定竖直向下定位飞行。
S3，液态金属墨水沉积在基板上。等离子体焊接液态金属过程包含轰击刻蚀、放电击穿、局部热效应。在等离子体射流11作用下，沉积后的液态金属墨水14里的液态金属颗粒的保护层受这三种物理化学作用而破裂，液态金属颗粒融合，形成液态金属电路18，实现液态金属原位同步烧结焊接。
请参阅图4、图5及图6，所述液态金属墨水14沉积在所述基底13上之后，液态金属墨水14中的有机溶剂挥发，形成密集细小的液态金属颗粒19，所述液态金属颗粒19是三层包裹结构，三层由内而外分别是：液态金属20、氧化层21及有机物层22(分散剂)。焊接液态金属需要打破所述液态金属颗粒19外围覆盖的保护层，即氧化层21及有机物层22，本实施方式焊接液态金属的过程包括轰击刻蚀、电弧放电、局部热效应三种现象共同作用而促进液态金属颗粒的融合。
等离子体射流11击中沉积液态金属颗粒19，等离子体子弹轰击包裹液态金属颗粒19的所述氧化层21及所述有机物层22，等离子体同步刻蚀所述氧化层21和所述有机物层22，在物理效应和化学反应共同作用下，所述氧化层21和所述有机物层22破裂，形成融合液态金属23。所述等离子体射流11扩散后使得所述液态金属颗粒19处于富含正电荷的氛围，液态金属是具有高导电率的导体，所述液态金属颗粒19之间发生电弧放电导致所述氧化层21和所述有机物层22击穿，液态金属融合；所述等离子体射流11扩散后电荷分布不均匀，液态金属中产生局部电流，进而产生局部放热，液态金属膨胀使得所述有机物层22和所述氧化层21破裂，液态金属颗粒融合为液态金属电路18。
图7所示曲线用以解释液态金属墨水在等离子体作用下焊接前后的电阻变化规律。在等离子体焊接前，液态金属墨水线路的阻值在兆欧量级，可以认为是不导电的。当等离子体扫描3-6次后，液态金属墨水线路的阻值迅速下降至十千欧的量级。随着等离子体扫描次数增加，液态金属墨水线路的阻值逐渐下降，达到百欧量级并趋于平稳。由此可以得到在等离子体的焊接作用下液态金属墨水线路可以形成良好的导电电路并同时还保留液态金属自身的可拉伸性与自修复能力。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置，其特征在于：
所述打印装置包括墨水模块、等离子体射流模块、隔绝鞘气模块、所述等离子体射流模块及所述隔绝鞘气模块分别连接于所述墨水模块；所述墨水模块用于将打印用的液态金属墨水输送到喷嘴中，所述等离子体射流模块用于放电产生等离子体射流，所述隔绝鞘气模块用于产生隔离液态金属墨水和等离子体射流的鞘气气流；
所述墨水模块、所述等离子体射流模块及所述隔绝鞘气模块相互配合以实现等离子体射流自身局域动态强电场诱导电流体生成泰勒锥，进而实现驱动墨滴射流喷射；同步地，在等离子体射流的作用下，沉积后的液态金属墨水里的液态金属颗粒的保护层受物理化学作用而破裂，液态金属颗粒融合，实现了液态金属原位同步焊接。
2.如权利要求1所述的等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置，其特征在于：所述墨水模块包括内层玻璃管及固定结构，接地电极的一端伸入所述内层玻璃管内；所述等离子体射流模块包括外层介质管及等离子通道玻璃介质管，所述隔绝鞘气模块包括中间层介质管及鞘气通道玻璃介质管，所述中间层介质管设置在所述外层介质管内，所述内层玻璃管的一端穿过所述固定结构后伸入所述中间层介质管内；所述中间层介质管及所述外层介质管的一端分别连接于所述固定结构；所述内层玻璃管与所述中间层介质管之间形成有第二环形槽；所述外层介质管与所述中间层介质管之间形成有第一环形槽；所述等离子通道玻璃介质管连接于所述外层介质管，且其与所述第一环形槽相连通，通过所述等离子通道介质管向所述第一环形槽内通入惰性气体；所述鞘气通道玻璃介质管连接于所述中间层介质管，且其与所述第二环形槽相连通，通过所述鞘气通道玻璃介质管向所述第二环形槽内通入隔绝鞘气；所述内层玻璃管用于连接供墨系统，以将液态金属墨水传送到所述内层玻璃管中。
3.如权利要求2所述的等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置，其特征在于：所述内层玻璃管收容于所述中间层介质管的一端形成有锥形缩口；所述中间层介质管收容于所述外层介质管的一端形成有锥形缩口；所述外层介质管远离所述固定结构的一端形成有锥形缩口。
4.如权利要求3所述的等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置，其特征在于：所述外层介质管的锥形缩口的顶角角度大于所述中间层介质管的锥形缩口的顶角角度。
5.如权利要求3所述的等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置，其特征在于：所述中间层介质管的锥形缩口的顶角角度大于所述内层玻璃管的锥形缩口的顶角角度。
6.如权利要求3所述的等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置，其特征在于：所述接地电极靠近所述内层玻璃管的锥形缩口的一端收容在所述内层玻璃管的锥形缩口内；所述内层玻璃管的中心轴、所述外层介质管的中心轴与所述中间层介质管的中心轴重合。
7.如权利要求3所述的等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置，其特征在于：所述等离子通道玻璃管槽及所述鞘气通道玻璃管槽分别位于所述接地电极的两侧，且所述等离子通道管槽距离所述固定结构的距离大于所述鞘气通道玻璃管槽距离所述固定结构的距离。
8.如权利要求2所述的等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置，其特征在于：所述固定结构包括固定凸台及固定槽，所述固定凸台的一端收容在所述固定槽内；所述打印装置还包括连接体，所述连接体的一端连接于所述固定槽，另一端连接于所述中间层介质管及所述外层介质管；所述等离子通道玻璃介质管连接所述外层介质管的一端及所述连接体；所述鞘气通道玻璃介质管设置在所述连接体内。
9.如权利要求1-8任一项所述的等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置，其特征在于：所述外层介质管的材料及所述中间层介质管的材料均为高介电材料。
10.一种打印方法，其特征在于：所述打印方法是采用权利要求1-9任一项所述的等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置进行打印的。
CN202210426056.8A 2022-04-21 2022-04-21 一种等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置及方法 Active CN114734063B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210426056.8A CN114734063B (zh) 2022-04-21 2022-04-21 一种等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210426056.8A CN114734063B (zh) 2022-04-21 2022-04-21 一种等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114734063A true CN114734063A (zh) 2022-07-12
CN114734063B CN114734063B (zh) 2023-05-05

Family

ID=82283227

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210426056.8A Active CN114734063B (zh) 2022-04-21 2022-04-21 一种等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114734063B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000218798A (ja) * 1999-02-01 2000-08-08 Casio Comput Co Ltd インクジェットプリンタにおける吐出ノズルの形成方法
CN101321899A (zh) * 2005-10-31 2008-12-10 普林斯顿大学理事会 电流体力学印刷和制造
CN108340681A (zh) * 2018-01-31 2018-07-31 华中科技大学 一种电场-流场混合控制的电流体喷印方法及装置
CN110816055A (zh) * 2019-11-28 2020-02-21 华中科技大学 一种基于等离子体射流引导的喷墨打印装置及喷印方法
CN112874165A (zh) * 2020-11-25 2021-06-01 华中科技大学 一种等离子微束同轴电极化诱导电喷打印装置及喷印方法
CN114193942A (zh) * 2021-11-23 2022-03-18 华中科技大学 一种柔性电子器件的多工序原位加工方法与装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000218798A (ja) * 1999-02-01 2000-08-08 Casio Comput Co Ltd インクジェットプリンタにおける吐出ノズルの形成方法
CN101321899A (zh) * 2005-10-31 2008-12-10 普林斯顿大学理事会 电流体力学印刷和制造
CN108340681A (zh) * 2018-01-31 2018-07-31 华中科技大学 一种电场-流场混合控制的电流体喷印方法及装置
CN110816055A (zh) * 2019-11-28 2020-02-21 华中科技大学 一种基于等离子体射流引导的喷墨打印装置及喷印方法
CN112874165A (zh) * 2020-11-25 2021-06-01 华中科技大学 一种等离子微束同轴电极化诱导电喷打印装置及喷印方法
CN114193942A (zh) * 2021-11-23 2022-03-18 华中科技大学 一种柔性电子器件的多工序原位加工方法与装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN114734063B (zh) 2023-05-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6989831B2 (ja) 金属材料の処理装置
EP1672971B1 (en) Method for manufacturing a substrate
CN110816055B (zh) 一种基于等离子体射流引导的喷墨打印装置及喷印方法
US20140370203A1 (en) Micro cold spray direct write systems and methods for printed micro electronics
CN106739506B (zh) 一种用于电流体喷印的压电式集成喷头
JP4372101B2 (ja) 液体吐出装置、液体吐出方法及び回路基板の配線パターン形成方法
CN112874165B (zh) 一种等离子微束同轴电极化诱导电喷打印装置及喷印方法
CN114193942B (zh) 一种柔性电子器件的多工序原位加工方法与装置
CN216698399U (zh) 等离子喷射装置、喷涂设备及太阳能电池制造设备
CN114734063A (zh) 一种等离子体包轴输运与同步烧结的打印装置及方法
US8646876B2 (en) Stream printing method
CN115972769A (zh) 一种基于等离子体的防串扰阵列化电流体喷印装置及方法
US20030049384A1 (en) Process and apparatus for preparing transparent electrically conductive coatings
KR20050055727A (ko) 액체 토출 장치
JP2010265420A (ja) インクジェット用インク及び導電性パターン形成方法
KR20060012671A (ko) 연료전지
Nguyen et al. Fabrication of nanoscale nozzle for electrohydrodynamic (EHD) inkjet head and high precision patterning by drop-on-demand operation
Ishida et al. Droplet ejection behavior in electrostatic inkjet driving
US11548277B2 (en) Printer with gas extraction of printing fluid from printing nozzle
CN113275559B (zh) 氧化物壳层包覆核壳结构粉体的笼型生成装置
CN214881781U (zh) 一种转移弧空气等离子喷枪
Wu et al. Development of silver nanoparticle ink for printed electronics
CN102031471B (zh) 同轴电缆表面镀锡装置的改良结构
CN1099547A (zh) 一种等离子炬
CN115087184A (zh) 一种等离子体射流发生装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant