大面积微纳结构力控电纺丝直写工艺与应用

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柔性电子是新兴的电子技术,目前还没有相适应的制造技术。喷墨打印技术可以高效率、低成本、大面积制造微结构,为柔性电子制造提供了可行方案,但存在打印分辩率低、有机材料兼容性差等不足。针对以上问题,本论文提出了力控电纺丝直写新工艺,围绕直写工艺理论建模、工艺可控行,工艺参数规划、器件制备和装备开发等问题开展系统深入研究。本文主要创新研究工作:1)提出了近场工况下的力控电纺丝直写工艺,通过基板牵引力与电场力共同作用实现纤维的独立可控操作,建立了近场电纺丝带电射流的飞行动力学模型,研究了非均匀电场和基板牵引力作用下射流的空间动力学行为。分析了工艺参数(基板速度、喷射高度、工作电压)对射流飞行行为(纤维屈曲和悬链线形状)和沉积纤维形貌(界面形状与尺寸)的作用规律,揭示了工艺参数与基板牵引力的关系,给出了力控电纺丝射流稳定可控的工艺窗口,一步实现纤维的精确定位与形貌控制,制备出纳米尺度直线纤维阵列和串珠结构等大面积、高分辨率微纳结构。2)建立了基于响应曲面方法的力控电纺丝直写工艺参数和纤维宽度的多元回归模型,分析了工艺参数之间的耦合作用及其对纤维宽度影响的敏感度,实现了任意工艺参数组合下纤维宽度的精确预测。提出了力控电纺丝直写工艺参数规划方法,给出了特定大面积微纳结构精确直写的工艺参数集合,通过所建立多工艺参数的优选准则,得到了力控电纺丝直写工艺的最优工艺参数组合。3)利用力控电纺丝直写压电纳米线阵列化结构,一步实现纳米线的电极化与精确定位,揭示了基板速度对纤维极化程度的影响规律,结合刻蚀电极与柔性封装技术制备出柔性压电器件,可将弯曲应变转化成电压电流信号输出。通过工艺参数对压电材料极化度和器件电性能进行精密控制,为柔性电子器件数字化制造奠定基础。4)提出了电流体动力多模式打印方案,实现以力控电纺丝直写工艺为核心,电喷雾制膜和按需电流动力喷印为辅的多功能打印技术,应用到自主研制的集成卷到卷、微环境控制的多功能电流体喷印设备中,实现了大规模多级点阵自组装、大面积高延展性屈曲纤维结构和薄膜的快速直写。
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