基于射流稳定喷射与微液面有序振荡的高频电流体按需喷印过程研究

Electrohydrodynamic drop-on-demand printing is a fast-developing high-resolution micro/nano droplet printing technology, which is regarded as an important branch of micro/nano 3D printing. However, in this technology, the mechanisms of the jet emission, meniscus oscillation and the ‘vortex’ inside the Taylor cone are still uncovered, which causes the unstable printing phenomena including satellite droplet, inconsistent size and frequency, and hinders the further development of high-frequency, stable drop-on-demand printing technology. For this reason, this project conducts a thorough investigation of jet emission and meniscus oscillation under electrical fields with different solutions, using experiments to investigate the process of jet emission and meniscus oscillation; numerical simulations to obtain the meniscus shape, internal electric field, flow field and surface charge distribution; dimensionless number to analyze the mechanisms. The following issues are investigated: the mechanism of jet emission of charged solution under strong electric field, motion law of meniscus oscillation after jet emission, and the controlling methods of stable jet emission and meniscus oscillation under pulse voltage. The results will be used to enhance the frequency and stability of micro/nano electrohydrodynamic drop-on-demand printing, which is very meaningful in both applications and scientific aspects as it will provide key theoretical foundations and important technical support for further development of high-frequency and stable electrohydrodynamic drop-on-demand printing technology.

电流体按需喷印是近年来快速发展起来的超高分辨率微纳液滴喷射成型技术，被视为微纳3D打印的重要发展方向。然而，目前关于溶液属性与电压参数对喷印过程中射流喷射、微液面振荡及泰勒锥内局部“涡流”的作用机理仍不甚明确，导致较难克服喷印中出现的卫星液滴、尺寸不一致等失稳行为，对进一步发展高频稳定按需喷印技术造成了巨大阻碍。为此，本项目对电场作用下不同属性溶液射流喷射与微液面振荡行为开展深入研究，利用实验考察溶液喷射与振荡过程；数值仿真获得溶液瞬时形状、内部电场流场、表面电荷分布；无量纲数进行机理分析，重点解决：强电场作用下带电溶液喷射行为机理；溶液喷射后微液面振荡行为运动规律；脉冲电压下射流稳定喷射与微液面有序振荡的调控机制，最终揭示各参数对喷射与振荡行为及其内部“涡流”的影响机制，利用射流稳定喷射与微液面有序振荡提高喷印的频率与稳定性，为按需喷印技术的进一步提高提供关键理论基础及重要技术支撑。

电流体按需喷印是近年来快速发展的超高分辨率微纳液滴喷射成型技术，在微纳增材制造、印刷电子、能源利用、生物医学等领域均具有广泛应用。然而，目前关于溶液属性与电压参数对喷印过程中射流喷射、微液面振荡及泰勒锥内局部“涡流”的作用机理仍不甚明确，导致较难克服喷印中出现的卫星液滴、尺寸不一致等失稳行为，对进一步发展高频稳定按需喷印技术造成了巨大阻碍。针对此问题，本项目结合工程实验、数值模拟和理论分析的方法，深入探究了电压参数和溶液属性对电喷印过程及产物的作用规律。首先，通过结合电喷印实验结果和数值模拟中获得的电压分布、溶液表面电荷密度及内部流场的变化，揭示了电压参数和溶液属性对电喷印过程三个重要阶段（泰勒锥形成、射流喷射及喷射结束后的微液面回缩和振荡）的特征时间、溶液流动行为以及泰勒锥内部“涡流”演化过程的影响，获得了喷印过程及模式与无量纲电邦德数的标度律和相图，为实现电喷印射流的可控分裂和液滴的均匀生成提供了重要理论基础。随后，本项目研究了峰值电压作用时间、基准电压大小、峰值电压大小等参数对阶跃电压作用下电喷印过程的影响，深入分析了这三个重要脉冲电压参数对射流尖端轨迹、喷印三个阶段整体过程及喷印产物体积的作用规律。同时，本项目对六种非常规电压波形下的电喷印过程及产物进行了考察，揭示了不同电压波形和上升/下降电压作用时间对溶液整体喷射过程和喷印产物稳定性的作用规律，为电流体按需喷印过程及产物稳定性的进一步优化提供了技术支撑。最后，本项目对喷印生成液滴在电场作用下沉积行为展开研究，揭示了电场强度对液滴沉积行为的影响，获得了液滴沉积模式的标度律与相图，提出了液滴无气泡沉积的电场调控方法，为喷印过程中高质量液滴沉积的实现提供了技术支持。总体上，本项目顺利完成了申请书中制定的研究计划，达到了预期目标，获得了预期成果，为电流体按需喷印技术的进一步发展提供了关键理论基础及重要技术支撑。

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