基于電紡直寫的圖案化微納結(jié)構(gòu)噴印技術(shù)

趙　揚(yáng)，姜佳昕，張　愷，鄭建毅，柳　娟，鄭高峰*

(1.廈門大學(xué) 航空航天學(xué)院，福建 廈門 361005；2.華南理工大學(xué) 發(fā)光材料與器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510000)

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基于電紡直寫的圖案化微納結(jié)構(gòu)噴印技術(shù)

趙揚(yáng)1，2，姜佳昕1，張愷1，鄭建毅1，柳娟1，鄭高峰1*

(1.廈門大學(xué) 航空航天學(xué)院，福建 廈門 361005；2.華南理工大學(xué) 發(fā)光材料與器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510000)

研究了利用電紡直寫技術(shù)進(jìn)行圖案化微納結(jié)構(gòu)可控噴印沉積的方法，該方法利用噴頭與收集板之間的穩(wěn)定直線射流來實(shí)現(xiàn)有序納米纖維的直寫制造。分析了電紡直寫射流在靜止收集板和移動(dòng)收集板上的沉積行為；探究了工藝參數(shù)對電紡直寫微納結(jié)構(gòu)定位誤差的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)顯示：在內(nèi)部應(yīng)力和電荷排斥力的作用下，射流會(huì)產(chǎn)生彎曲螺旋從而引導(dǎo)納米纖維在靜止收集板上逐層疊加形成三維微結(jié)構(gòu)；提高收集板運(yùn)動(dòng)速度可克服射流螺旋鞭動(dòng)，獲得無螺旋結(jié)構(gòu)的直線納米纖維。根據(jù)設(shè)計(jì)圖形分別電紡直寫了方波、多圈矩形納米纖維圖案，分析了直寫圖案尺寸與設(shè)計(jì)圖案尺寸間的誤差。結(jié)果顯示：電紡直寫纖維圖案定位誤差隨著收集板運(yùn)動(dòng)速度、噴頭至收集板距離、施加電壓、收集板運(yùn)動(dòng)距離的升高而增加；優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件和試驗(yàn)參數(shù)，電紡直寫微納結(jié)構(gòu)定位誤差可優(yōu)于10 μm。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了微納結(jié)構(gòu)圖案的精確噴印沉積有助于提高電紡直寫技術(shù)的控制水平。

電紡直寫；納米纖維；微納圖案；螺旋彎曲；射流沉積；精確定位

1　引　言

靜電紡絲作為典型的電液耦合動(dòng)力噴印技術(shù)，已經(jīng)成為微納結(jié)構(gòu)制造的一種重要方法。與其他的微納結(jié)構(gòu)制造方法相比，具有設(shè)備簡單，操作方便，成本低，原料來源廣等優(yōu)點(diǎn)[1-4]，電紡微納米纖維在眾多領(lǐng)域如柔性電子，微傳感器，空氣過濾器，生物醫(yī)藥，能量收集[5-8]等領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，并開始獲得應(yīng)用。受電荷排斥力等干擾，靜電紡絲射流將產(chǎn)生無序不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致電紡納米纖維在收集板上產(chǎn)生無序、不規(guī)則沉積，從而限制了其在微納系統(tǒng)制造中的應(yīng)用。克服射流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電紡納米纖維的可控有序沉積是促進(jìn)靜電紡絲技術(shù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵[9]。

靜電紡絲的射流運(yùn)動(dòng)行為和控制技術(shù)研究吸引了眾多研究人員的關(guān)注。Yang[10]等人研究了水平方向的擺動(dòng)干擾對電紡射流鞭動(dòng)行為和納米纖維直徑的影響，結(jié)果表明射流的初始擺動(dòng)對納米纖維直徑影響不大，而射流的細(xì)化主要發(fā)生在無序不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)階段。Reneker和Yarin[11]等人仿真分析了空間電場分布對射流穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)電荷排斥是射流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的主要原因。Yudistira[12]等人描述了射流噴射過程中的回縮和破裂行為。當(dāng)射流接觸到收集板時(shí)部分正電荷被導(dǎo)走，液滴帶負(fù)電受到收集板上殘余電荷排斥，從而很難獲得規(guī)則的沉積圖案。Lei[13]等人研究了弱電場中的靜電紡絲以減弱射流的鞭動(dòng)行為，從而在剛性基底甚至柔性基底上進(jìn)行復(fù)雜圖案的定位沉積。

近場靜電紡絲(NFES)通過縮短噴頭和收集板之間的距離克服射流噴射過程中的不規(guī)則鞭動(dòng)，獲得直線穩(wěn)定射流[14]；利用直線穩(wěn)定射流實(shí)現(xiàn)納米纖維在收集板上的可控沉積，克服了螺旋不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的干擾[15]。基于近場靜電紡絲開發(fā)的電紡直寫技術(shù)可進(jìn)行納米纖維、微米薄膜和微米液滴等多種形式微納結(jié)構(gòu)定位沉積與圖案化噴印制造[16]。微納結(jié)構(gòu)的精確定位沉積與圖案化制造，是實(shí)現(xiàn)電紡直寫在微納系統(tǒng)和柔性電子制造業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵[17-19]。

本文針對圖案化微納結(jié)構(gòu)的電紡直寫技術(shù)展開研究。分析了電紡直寫射流的螺旋沉積行為和三維納米纖維結(jié)構(gòu)的疊加沉積過程。并分析了工藝參數(shù)對電紡直寫微納結(jié)構(gòu)定位誤差的影響作用規(guī)律。

2　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

電紡直寫實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖1所示，采用內(nèi)徑為40 μm的不銹鋼針頭作為紡絲噴頭，用精密注射泵(Harvard 11 Pico Plus，美國)將聚合物溶液輸送至紡絲噴頭。高壓電源(DW-SA403-1ACE5，0～50 kV，天津東文)正極與紡絲噴頭相連，負(fù)極與厚度為500 μm硅基底的收集板相連并接地，紡絲噴頭和收集板之間的電壓可調(diào)。收集板放置于XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(TR07 & TR10 Line Motor，Parker Hannifin Corporation，美國)上，其運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度由上位機(jī)控制。XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)重復(fù)精度優(yōu)于2 μm。噴頭與收集板間距離0～5 mm可調(diào)。采用帶有顯微鏡頭的CCD相機(jī)(Sony SSC-DC80，日本)進(jìn)行射流噴射和沉積過程的觀測與記錄；電紡直寫的納米纖維圖案可使用光學(xué)顯微鏡(Mitutoyo，日本)和掃描電子顯微鏡(LEO1530，德國)進(jìn)行檢測。

實(shí)驗(yàn)采用聚氧化乙烯(Poly ethylene Oxide(PEO)，Mw= 300 000 g/mol，長春市大地精細(xì)化工公司)溶液作為紡絲溶液，溶劑為體積比60∶40 的去離子水與乙醇混合液。

圖1　電紡直寫實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

Fig.1Schematic diagram of experiment setup for electrohydrodynamic direct-write

3　結(jié)果與討論

利用CCD相機(jī)對電紡直寫射流的噴射與沉積行為進(jìn)行觀測、記錄。首先，研究電紡直寫射流在靜止收集板上的沉積行為，如圖2所示。電紡直寫射流從泰勒錐錐尖射出后，帶電射流將在電場力作用下朝收集板加速運(yùn)動(dòng)，如圖2(a)所示。噴頭到收集板的距離設(shè)為1 mm，避免了擾動(dòng)干擾。圖2(b)中噴頭與收集板之間的直線穩(wěn)定射流可進(jìn)行有序納米纖維的沉積控制。電紡直寫屬于典型的外拉力式噴印技術(shù)，利用外電場拉伸溶液產(chǎn)生變形。受到外電場的拉伸約束，噴嘴出口處的溶液變形產(chǎn)生泰勒錐，限制了溶液體積的進(jìn)一步擴(kuò)大。

(a)0 ms(b)1 ms(c)2 ms(d)3 ms(e)4 ms

圖2射流在靜止基底的螺旋運(yùn)動(dòng)

Fig.2Spiral motion of charged jet above stationary substrate

紡絲射流源于泰勒錐錐尖，而不受噴嘴內(nèi)徑限制。射流初始直徑d0約5～10 μm，噴嘴內(nèi)徑D與射流初始直徑d0比值D：d0≈5～30。紡絲溶液受到的拉伸約束作用有助于小線寬微納結(jié)構(gòu)的噴印制造，降低了噴頭制造精度的要求。

當(dāng)射流前端沉積在收集板上后，已沉積納米纖維將對后續(xù)射流產(chǎn)生黏彈性應(yīng)力。在庫侖力和射流內(nèi)應(yīng)力的作用下，收集板上方的紡絲射流將在2～4 ms之間產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象和圈狀沉積，如圖2(c)～(e)所示。實(shí)驗(yàn)采用的PEO溶液濃度、施加電壓、噴頭至收集板距離分別為20 wt%，1.7 kV，1 mm。

進(jìn)一步分析了收集板運(yùn)動(dòng)速度對納米纖維沉積的影響。在收集板運(yùn)動(dòng)速度為0 m/s時(shí)，射流圍繞噴頭延長線產(chǎn)生鞭動(dòng)，如圖3(a)所示。收集板運(yùn)動(dòng)時(shí)，對射流產(chǎn)生拉伸作用誘使其偏離原有運(yùn)動(dòng)軌跡；收集板運(yùn)動(dòng)速度越大，射流偏移量也越大，如圖3(b)、3(c)所示。收集板的拉伸作用將誘使射流保持繃緊狀態(tài)，利于克服電荷排斥力的干擾，增強(qiáng)射流噴射穩(wěn)定性，促進(jìn)微納纖維結(jié)構(gòu)的有序沉積[20]。圖3中箭頭指向收集板運(yùn)動(dòng)方向。實(shí)驗(yàn)采用的PEO溶液濃度、施加電壓、噴頭至收集板距離分別為20 wt%，2.1 kV，2 mm。

(a)0 m/s(b)0.1 m/s(c)0.2 m/s

圖3受運(yùn)動(dòng)基底拉伸的射流

Fig.3Jet stretched by motion substrate

帶電納米纖維沉積在收集板后，所攜帶的電荷被大量轉(zhuǎn)移到地而減小了對后續(xù)沉積射流的排斥力。射流自身的黏彈性應(yīng)力對射流的沉積過程將起到主導(dǎo)作用。在已沉積纖維的牽引下，受到電荷排斥力和射流自身黏彈性應(yīng)力的共同作用，纖維會(huì)在固定的收集板上沉積成多圈納米纖維結(jié)構(gòu)，如圖4(a)所示。

(a)收集板靜止時(shí)沉積的多圈納米纖維結(jié)構(gòu)，沉積時(shí)間0.5 s

(a)Multi-layer nanofibrous structuredeposited on the stationary substrate， deposition time is 0.5 s

(b)沿收集板運(yùn)動(dòng)軌跡沉積的螺旋納米纖維結(jié)構(gòu)，收集板移動(dòng)速度0.1 m/s

(b)Spiral nanofibrous pattern deposited along the motion trajectory of substrate， velocity of substrate is 0.1 m/s

(c)沿收集板運(yùn)動(dòng)軌跡沉積的直線納米纖維，收集板移動(dòng)速度0.35 m/s

(c)Straight nanofiber along the motion trajectory of substrate， velocity of substrate is 0.35 m/s

圖4沉積于硅基底表面的直寫納米纖維結(jié)構(gòu)

Fig.4Direct-written nanofibrous pattern on silicon substrate

收集板運(yùn)動(dòng)時(shí)，在射流鞭動(dòng)的作用下納米纖維將沿收集板運(yùn)動(dòng)軌跡沉積形成單圈螺旋納米纖維結(jié)構(gòu)，如圖4(b)所示。圖4(b)中收集板運(yùn)動(dòng)速度0.1 m/s。隨著收集板運(yùn)動(dòng)速度的增加，帶電射流螺旋擺動(dòng)行為也將進(jìn)一步減弱。螺旋結(jié)構(gòu)的直徑都將隨著收集板運(yùn)動(dòng)速度的增加而減小，相鄰獨(dú)立螺旋結(jié)構(gòu)之間的距離隨收集板運(yùn)動(dòng)速度的增加而增大[21-22]。隨著收集板運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)一步增加，可克服射流螺旋鞭動(dòng)，獲得如圖4(c)所示的直線納米纖維。圖4(c)中收集板運(yùn)動(dòng)速度為0.35 m/s。

當(dāng)收集板運(yùn)動(dòng)速度大于帶電射流的沉積速度時(shí)，可以克服射流螺旋鞭動(dòng)的影響獲得直線納米纖維，如圖5所示。通過控制收集板運(yùn)動(dòng)軌跡，可電紡直寫如圖5(a)所示的納米纖維圖案。直線部分收集板運(yùn)動(dòng)速度為0.5 m/s，可以克服射流鞭動(dòng)干擾獲得直線無螺旋納米纖維結(jié)構(gòu)。為方便XY平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方向的改變，在圖案轉(zhuǎn)角處設(shè)有0.3 s的停頓，以減少收集板運(yùn)動(dòng)誤差的干擾。收集板在圖案拐角處進(jìn)行停頓，將引導(dǎo)射流在同一位置進(jìn)行疊加沉積，受到不均勻電荷排斥力和射流內(nèi)應(yīng)力的共同作用，可在收集板上形成如圖5(b)所示的逐層疊加多圈、橢圓形三維微結(jié)構(gòu)[20]。電紡直寫過程屬于多物理場耦合作用，沉積過程受到多種因素影響，可得到不同的纖維沉積形貌。受收集板運(yùn)動(dòng)等因素的干擾，電紡直寫射流沉積行為將發(fā)生改變，也可能在圖案拐角處形成無序三維納米纖維結(jié)構(gòu)，如圖5(c)所示。

(a)直寫方波納米纖維圖案

(b)沉積于拐角處的多圈納米纖維三維結(jié)構(gòu)

(c)沉積于拐角處的無序三維納米纖維結(jié)構(gòu)

圖5收集板運(yùn)動(dòng)速度為0.5 m/s時(shí)的直寫納米纖維圖案

Fig.5Direct-written nanofibrous pattern， when the velocity of collector is 0.5 m/s

另一方面，電紡直寫是典型的連續(xù)射流噴印技術(shù)，射流內(nèi)應(yīng)力已成為決定噴射穩(wěn)定性和直寫圖案定位精度的重要因素。收集板運(yùn)動(dòng)時(shí)，射流對已沉積纖維產(chǎn)生拖拽作用，從而影響了纖維的圖案化定位沉積，而無法完成精確纖維圖案的直寫制造[23]。射流疊加沉積所獲得的三維結(jié)構(gòu)，可增加已沉積纖維與收集板之間的吸附力。三維纖維結(jié)構(gòu)可起到固定作用，防止已沉積纖維被拉動(dòng)而產(chǎn)生移動(dòng)，以確保纖維圖案的精確直寫。通過前期的研究，發(fā)現(xiàn)在拐角處進(jìn)行0.3 s的停頓可以有效地克服收集板運(yùn)動(dòng)的干擾。以拐角處的三維纖維結(jié)構(gòu)為固定點(diǎn)，可按預(yù)設(shè)軌跡完成復(fù)雜圖案的直寫。

利用上位機(jī)控制XY平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡，在硅基底上直寫出不同的納米纖維圖案，以進(jìn)一步研究纖維圖案的直寫控制方法，分析工藝參數(shù)對直寫纖維圖案尺寸精度的影響規(guī)律。

分別設(shè)計(jì)了多圈矩形圖案和不同幅值的方波圖案，如圖6(a)和7(a)所示。實(shí)驗(yàn)采用的PEO溶液濃度、施加電壓、噴頭至收集板距離分別為18 wt%，1.3 kV，1 mm。

收集板運(yùn)動(dòng)速度0.2 m/s時(shí)，所直寫的矩形線圈電紡直寫纖維圖案如圖6(b)所示。圖形直線段收集板運(yùn)動(dòng)速度為0.2 m/s，在矩形拐角處停頓0.3 s。由于收集板的運(yùn)動(dòng)速度低于纖維沉積速度，多圈矩形直線段纖維呈現(xiàn)波浪、螺旋狀分布。收集板在拐角處有短暫的停頓，沉積圖案不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重變形，且拐角處產(chǎn)生較多纖維的疊加沉積，起到了固定作用，避免了纖維圖案的變形。如圖6所示，所設(shè)計(jì)多圈矩形圖案線間距為200 μm，而電紡直寫纖維圖案平均線間距為207 μm。

圖7(b)所示為不同幅值的直寫纖維方波圖案，收集板運(yùn)動(dòng)速度為0.35 m/s。提高收集板運(yùn)動(dòng)速度可以有效克服射流鞭動(dòng)的影響，在圖案直線段獲得無螺旋納米纖維；相同地，在圖案的拐角處會(huì)產(chǎn)生更多纖維的沉積。如圖7所示，所設(shè)計(jì)的方波圖案中線間距分別為250 μm和500 μm，而電紡直寫纖維圖案的線間距分別為257 μm和509 μm。

實(shí)驗(yàn)中，電紡直寫噴頭固定不動(dòng)而收集板按預(yù)設(shè)軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，因此電紡直寫納米纖維圖案與運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)圖案成鏡面對稱，對稱線為圖案的對角線。

(a)多圈矩形圖案設(shè)計(jì)的收集板運(yùn)動(dòng)軌跡

(a)Designed motion trajectory of substrate for multi-circle rectangle pattern

(b)根據(jù)設(shè)計(jì)直寫的多矩形線圈電紡直寫纖維圖案

(b)Direct-written multi-circle rectangle pattern according to designed pattern

圖6多圈矩形電紡直寫纖維圖案

Fig.6Multi rectangle nanofibrous pattern

(a)方波圖案設(shè)計(jì)的收集板運(yùn)動(dòng)軌跡

(a)Designed motion trajectory of substrate for square wave pattern

(b)根據(jù)軌跡設(shè)計(jì)直寫得到的電紡直寫纖維方波圖案

(b)Direct-written wave nanofibrous pattern according to designed pattern

圖7不同幅值的電紡直寫纖維方波圖案

Fig.7Nanofibrous square wave pattern with different amplitude

減小電紡直寫微納圖案結(jié)構(gòu)的定位誤差是促進(jìn)電紡直寫技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵。以圖7所示方波圖案為例，分析了施加電壓、噴頭至收集板距離、收集板運(yùn)動(dòng)距離、收集板速度對直寫微納圖案定位誤差的影響，研究了精確纖維圖案電紡直寫控制規(guī)律，以促進(jìn)電紡直寫技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。直寫纖維圖案尺寸誤差主要來源于射流螺旋鞭動(dòng)不穩(wěn)定和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位、運(yùn)動(dòng)誤差。

圖8施加電壓對微納結(jié)構(gòu)沉積定位誤差的影響

Fig.8Relationship between the position error and applied voltage

通過前期的研究和實(shí)驗(yàn)分析，射流螺旋鞭動(dòng)的鞭動(dòng)幅值主要取決于電荷排斥力和射流自由運(yùn)動(dòng)的距離。提高施加電壓，增加了射流的表面電荷密度和所受到的電荷排斥力，從而導(dǎo)致射流螺旋擺動(dòng)的幅值增大，降低了電紡直寫微納結(jié)構(gòu)的沉積定位精度。如圖8所示，電紡直寫微納結(jié)構(gòu)的定位誤差隨著施加電壓的提高而增大。實(shí)驗(yàn)采用的PEO溶液濃度、噴頭至收集板距離、收集板速度、收集板運(yùn)動(dòng)距離分別為18 wt%，1 mm，0.4 m/s，500 μm。

從泰勒錐錐尖噴射出后，電紡射流處于自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。噴頭至收集板距離的增加延長了射流自由運(yùn)動(dòng)的距離，使其更易受電荷排斥力等不穩(wěn)定因素干擾，難以維持直線穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。射流螺旋鞭動(dòng)幅值隨著噴頭至收集板距離的增加而增大，從而降低了電紡直寫微納結(jié)構(gòu)的沉積定位精度。如圖9所示，電紡直寫微納結(jié)構(gòu)的定位誤差隨著噴頭至收集板距離的增加而增大。實(shí)驗(yàn)采用的PEO溶液濃度、施加電壓、收集板速度、收集板運(yùn)動(dòng)距離分別為18 wt%，1.3 kV，0.2 m/s，500 μm。

圖9噴頭至收集板距離對微納結(jié)構(gòu)沉積定位誤差的影響

Fig.9Relationship between the position error and distance between spinneret and collector

運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)定位誤差是決定電紡直寫納米纖維圖案尺寸精度的另一個(gè)重要因素。平臺(tái)定位誤差將隨著運(yùn)動(dòng)速度和距離的增加而增大，從而降低了直寫纖維圖案的尺寸精度。且收集板運(yùn)動(dòng)速度的增加提高了對紡絲射流的拉伸力，也將使得已沉積纖維在收集板表面產(chǎn)生移動(dòng)而降低圖案定位精度。因此，電紡直寫微納結(jié)構(gòu)的沉積定位誤差隨著收集板速度的增大而增大，如圖10所示。實(shí)驗(yàn)采用的PEO溶液濃度、施加電壓、噴頭至收集板距離、收集板運(yùn)動(dòng)距離分別為18 wt%，1.3 kV，0.5 mm，500 μm。

圖10收集板速度對微納結(jié)構(gòu)沉積定位誤差的影響

Fig.10Relationship between the position error and velocity of collector

圖11收集板運(yùn)動(dòng)距離對微納結(jié)構(gòu)沉積定位誤差的影響

Fig.11Relationship between the position error and moving distance of collector

隨著收集板運(yùn)動(dòng)距離的增大，定位誤差累積增加，因此，電紡直寫微納結(jié)構(gòu)的定位誤差隨著收集板運(yùn)動(dòng)距離的增大而增大，如圖11所示。PEO溶液濃度、噴頭至收集板距離、收集板速度、施加電壓分別為18 wt%，0.5 mm，0.3 m/s，1.3 kV。通過控制電紡直寫過程中的實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)行工藝參數(shù)的合理匹配，可以實(shí)現(xiàn)與設(shè)定軌跡定位誤差小于10 μm 的微納結(jié)構(gòu)圖案化沉積。

4　結(jié)　論

本文介紹了一種利用電紡直寫技術(shù)進(jìn)行圖案化微納結(jié)構(gòu)可控噴印沉積的方法。通過縮短噴頭和收集板之間的距離克服射流噴射過程中的不穩(wěn)定鞭動(dòng)，利用噴頭與收集板間的直線穩(wěn)定射流進(jìn)行有序微納結(jié)構(gòu)的圖案化噴印制造。受射流內(nèi)部應(yīng)力作用，帶電射流沿收集板的運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生螺旋鞭動(dòng)，引導(dǎo)納米纖維以圈狀結(jié)構(gòu)沉積在收集板上。隨著收集板速度增大，可克服射流螺旋鞭動(dòng)的影響獲得直線納米纖維。通過控制收集板的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以誘導(dǎo)納米纖維在收集板進(jìn)行預(yù)設(shè)圖案的直寫制造。電紡直寫纖維圖案定位誤差將隨著施加電壓、噴頭至收集板距離、收集板速度、收集板運(yùn)動(dòng)距離的增大而增加。通過控制電紡直寫過程中的實(shí)驗(yàn)條件，優(yōu)化工藝參數(shù)的匹配，電紡直寫微納結(jié)構(gòu)圖案定位誤差可優(yōu)于10 μm。

微納結(jié)構(gòu)圖案化噴印制造與精確定位工藝的研究為電紡直寫技術(shù)在微納系統(tǒng)集成制造中的應(yīng)用奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，有助于推動(dòng)電紡直寫技術(shù)在微納制造技術(shù)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

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趙揚(yáng)(1980-)，男，遼寧丹東人，助理教授，2009年于吉林大學(xué)獲工學(xué)博士學(xué)位，主要從事智能精密制造和智能材料應(yīng)用等領(lǐng)域研究。E-mail:zhaoy@xmu.edu.cn

鄭高峰(1984-)，男，福建泉州人，博士，副教授，2006年于武漢科技大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位；2011年于廈門大學(xué)獲博士學(xué)位。主要從事靜電紡絲技術(shù)和有機(jī)微納米系統(tǒng)制造領(lǐng)域的研究。E-mail: zheng_gf@xmu.edu.cn

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Precision deposition of micro/nano pattern printed by electrohydrodynamic direct-write

ZHAO Yang1，2， JIANG Jia-xin1， ZHANG Kai1， ZHENG Jian-yi1， LIU Juan1， ZHENG Gao-feng1*

(1.SchoolofAerospaceEngineering，XiamenUniversity，Xiamen361005，China；2.StateKeyLaboratoryofLuminescentMaterialsandDeivces，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510000，China)*Correspondingauthor，E-mail：zheng_gf@xmu.edu.cn

The precision deposition of micro/nano patterns printed by Electrohydrodynamic Direct Writing (EDW) technology was explored and the EDW for orderly nanofibers was implemented by the straight stable jet between a spinneret and a collector. The deposition behaviors of EDW jet on stationary and moving substrates were investigated. The effects of process parameters on the position errors of EDW patters were also studied. The experiments show that the jet is bended into a spiral structure by the inner stress and charge repulse force， and then the nanofiber is guided to form a three-dimensional fibrous microstructure on the stationary substrate. By increasing the velocity of collector， the bending process of charged jet can be overcome and the straight line nanofiber without spiral coil is direct-written on the substrate. The multi rectangle wave and square wave nanofibrous patterns are direct-written according to the designed pattern， respectively， and the dimension error between the direct-written nanofibrous pattern and designed pattern is also analyzed. The results indicates that the position error of direct-written nanofibrous pattern increases with increasing the velocity of collector， the distance between spinneret and collector， applied voltage， and the motion distance of collector. Moreover， by optimizing the experimental conditions and design parameters， the position error of direct-written fibrous pattern can be less than 10 μm. It concludes that the precision deposition of micro/nano pattern is benefit to promoting the control level of EDW technology.

electrohydrodynamic direct-write; nanofiber; micro/nano pattern; spiral bending; jet deposition; precision positioning

2016-02-03；

2016-03-15.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.51305373)；發(fā)光材料與器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(No.2015-skllmd_03)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(No.20720150082)；廣東省前沿與關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)資金(省重大科技專項(xiàng))(No.2015B010124001)

1004-924X(2016)09-2224-08

TS102.5；TQ340.6

A

10.3788/OPE.20162409.2224