微图案化电流体动力喷射打印规律与工艺优化研究

摘要

电流体动力喷射打印（电喷印）是近年来出现的一种基于增材原理制造微纳结构或者功能性产品的新型微尺度3D打印技术，其具有精度高、打印材料广泛、成本低、结构简单等特点，尤其是对于高粘度液体材料，具备可打印低于喷嘴尺寸一个数量级图案的独特优势，在诸多领域已经显示出广阔的工业化应用前景。然而电喷印的成形机理比较复杂、影响因素众多，目前国内外关于电喷印的研究并不深入，揭示其打印的内在规律，获得较为理想的打印工艺窗口，实现各种功能性材料在不同材质基板上的高精度微图案化以满足其在各领域的应用需求依旧是当前亟待研究及解决的关键性问题。
　　本文围绕理论分析、工艺优化实验研究、微尺度图案化案例研究三个方面，针对两种典型材料体系（聚合物、纳米银导电油墨）对电喷印工艺参数影响规律及打印工艺窗口进行了系统地理论分析与实验研究；并通过3类不同打印材料及3种不同材质衬底的高精度图案化验证了所获得打印规律和工艺优化窗口的正确性与可行性。具体工作如下：
　　（1）本文结合电流体动力学基本理论，围绕锥射流喷射模式、锥射流影响因素两个方面对电喷印的喷射机理进行了系统地理论分析。
　　（2）在理论分析的基础上，从UV油墨制备、工艺参数影响及规律、打印工艺窗口优化三个方面对电喷印打印聚合物材料进行了具体的实验研究。系统研究并揭示了电流体动力喷射打印工艺参数对泰勒锥和打印图形的影响及其规律；优化出针对同一喷嘴较为理想的喷印工艺窗口，并采用内径60μm的喷嘴，实现了光敏聚合物材料（4200cps）最小线宽3μm打印。此外，提出了一种通过调整打印工艺参数间接控制泰勒锥形状和尺寸，进而实现对于打印图形精度和质量有效控制的新方法。所提出的方法和研究结果为电流体动力喷射打印的打印分辨率、图形质量和打印稳定性改进及提高奠定了基础。
　　（3）针对印刷电子、3D结构电子及高精密电子器件等对超微细导电电路（电极）的应用需求，重点研究了具有广泛应用前景的纳米银导电油墨材料的打印规律，优化出适于不同材质衬底的打印工艺窗口。最终采用内径60μm的喷嘴，实现了高粘度(9500cps)纳米银浆在PET、玻璃、硅片衬底上线宽低于5μm（最小线宽2μm）的高精度打印，并通过烧结与电阻率测定，获得最小电阻率为6.54μΩ*cm。
　　（4）开展了电喷印微尺度图案化应用案例研究。通过3类不同打印材料（光敏聚合物、高粘度纳米导电银浆、高银含量纳米导电油墨）及3种不同材质衬底（PET、硅片、玻璃）的微尺度图案化，采用内径60μm喷嘴实现了高银含量超高粘度（-20000cps）纳米导电浆料在硅片基板（6μm）银导线及高粘度纳米导电银浆在PET基板（线宽3μm）、玻璃衬底（线宽8μm）上银网格透明电极打印，验证了所获得工艺优化影响规律及打印工艺窗口的正确性和可行性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究的背景与意义

1.3 电流体动力喷射打印技术简介

1.4 电流体动力喷射打印研究现状

1.5 课题研究的目的

1.6 课题研究的主要内容

第2章 电流体动力喷射打印理论分析

2.1 电喷印基本原理

2.2 电喷印喷射机理分析

2.3本章小结

第3章 光敏聚合物电流体动力喷射打印规律和工艺优化

3.1 实验装置

3.2 UV油墨的制备

3.3 工艺参数影响及其规律

3.4 打印工艺窗口优化

3.5 本章小结

第4章 纳米银油墨电流体喷射打印规律和工艺优化

4.1 实验装置和材料

4.2 工艺参数影响及其规律

4.3 不同衬底打印工艺窗口优化

4.4 烧结和电阻率测定

4.5 本章小结

第5章 电流体动力喷射打印微尺度图案化案例研究

5.1 实验方案

5.2 不同打印材料微尺度图案化

5.3 不同材质衬底银电极打印

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢