喷墨打印中液滴与基板碰撞过程研究

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喷墨打印技术在电子科技和增材制造等领域应用广泛,尤其在柔性电子制造方面最为突出。喷墨液滴在基板上沉积和图案的形成是喷墨工艺的关键问题,该过程受到流体性质、喷墨参数(驱动电压、频率)、基板表面特性等众多因素的影响。目前相关研究主要集中在液滴与水平基板的相互作用过程,然而工业制造中经常面临在非水平基板上进行喷墨打印的情况,例如柔性电子制造当中的基板形状通常是弯曲的。因此,深入研究液滴与不同形状基板碰撞的机理和控制对于制造精度和产品品质的提升至关重要。液滴碰撞基板后的形态演变问题一直以来都是流体力学研究的热点,该过程涉及复杂的流动耦合,局部变形特征非线性强,理想流体假设和简化难以适用,因此,几乎不可能通过理论分析得到解析解。针对该挑战,本文以高速摄像机为核心搭建了液滴碰撞基板的实验观测系统,同时以水平集方法为基础建立了液滴撞击基板过程的数值模型,分别针对水平、倾斜和球形基板展开研究,在本文研究范围内,通过无量纲参数分析和经验关系式拟合,得出以下主要结论:(1)对于水平基板,较大的液滴初始速度和密度、较强的基板润湿性均有利于液滴的铺展,而较大的液滴表面张力和粘度不利于液滴的铺展。研究中拟合得到了最大铺展因子的经验关系式:βmax=0.5Re0.16We0.12,其中,40<Re<3300,2<We<73,并进行了验证,证明了该关系式在预测液滴最大铺展因子方面的准确性。(2)对于倾斜基板,较大的基板倾斜角度和液滴We数会增大液滴的最大铺展因子,模拟数据拟合出了最大铺展因子与倾斜角度、液滴We数之间的经验关系式βmax=0.003We1.5·tan2α+0.95We0.25,其中,5<We<40,5<α<40,并用实验数据进行了验证。(3)对于球形基板,较大的基板曲率会使液滴的最大铺展因子变小;在40<Re<2000,2<We<30范围内,较大的液滴粘度和表面张力会使液滴在球面上的铺展和回缩过程耗时更长,且液滴的最大铺展因子变小,最小高度因子变大。本文对液滴碰撞基板后形态演变动力学的数值分析和实验验证方法展开了系统研究,揭示了液滴与不同形状基板碰撞过程的形态演变机理并得到拟合公式,对改善喷墨打印工艺中墨水液滴在基板上的沉积和图案形成过程的质量具有重要的理论和实际应用价值。
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