一种电流体动力学同轴打印聚合物金属复合超材料的喷头

摘要

一种电流体动力学同轴打印聚合物金属复合超材料的喷头。其特征在于：内芯设置在外壳内，内芯与外壳之间形成保温腔，外壳上设有与保温腔连通的保温液进口与保温液出口；喷嘴设置在外壳底部中心，并连接高压电极；内芯上形成有金属熔体进口通道、聚合物进口通道以及分别指向喷嘴的金属熔体出口流道、聚合物出口通道；金属熔体进口通道与金属熔体出口流道相连通，聚合物进口通道与聚合物出口通道相连通。其优点在于通过在保温腔内加入保温液，满足打印过程中的高温条件，防止熔融态材料固化；同时金属熔体与聚合物熔体直接进入喷嘴，在高压电极的高压电场作用下喷射而出，无需溶剂辅助，射流过程较易控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电流体动力学打印技术，具体涉及一种电流体动力学同轴打印聚合物金属复合超材料的喷头。

背景技术

电磁超材料是一种在聚合物材料中包含金属结构（单胞尺寸远小于与其相作用波长，约小于1/10，一般要求小于微米尺度，最好在10-100 nm尺度）的复合材料，通过改变金属单胞结构参数, 可调控其电磁性能, 从而调控电磁波在空间的传播, 是一种新型微波材料，可用于天线等功能器件，在国防、通信、医疗、能源等领域有着重大和广泛的应用前景。随着科技进步，基于电流体动力学打印聚合物金属复合材料制造超材料及功能器件己经成为新的研究方向。电流体动力学打印是一种超材料制造新方法，可制备从单组分纳米纤维过渡到金属等不同材料与聚合物材料的复合纳米纤维、金属有机框架结构(MOFs)等复合材料功能器件，但都是基于纳米溶液的打印，打印成形后的复合材料的结构尺度、精度及直接制造方面仍然不能令人满意。

目前，超材料的先进制造工艺有光刻、EBL（e-beam lithography）、FIB（focused ion beam）等，这些方法不仅需要掩膜，工艺复杂，而且设备昂贵，使用维护成本很高。Hadi等人（Teguh Yudistira H, Pradhipta Tenggara A, Oh S S, et al. High-resolution electrohydrodynamic jet printing for the direct fabrication of 3D multilayer terahertz metamaterial of high refractive index[J]. Journal of Micromechanics & Microengineering, 2015, 25）已证明通过电流体动力学技术可制造太赫兹超材料，但过程包括了旋涂和等离子处理等五个步骤，而且打印材料也受限制，而非一步制造工艺。 基于电流体动力学，采用溶液静电纺丝或溶液打印，可制备无机、有机聚合物以及复合纳米纤维。不过以上方法在应用上只适用于低粘度溶液，且存在射流不稳定，纤维较细及纺丝效率较低等缺点。若采用熔体静电纺丝法，成丝过程为热熔固化，无需溶剂辅助，具有射流沉积易于控制及纺丝效率高等优点，可与FDM（熔融沉积制造法，Fused Deposition Modeling）3D技术结合可以实现基于电流体动力学的3D打印。现有同轴熔体静电纺丝技术，熔体通过一根同轴芯内外层毛细管，两管层之间保持一定间隙，外层液体与芯质液体分别在两个管层间流动，最终在毛细管末端汇合，但其采用的两种材料均为聚合物材料，不适用于制备复合材料超材料，采用电流体动力学方法制备金属聚合物复合材料超材料的方法目前尚未见报道。

发明内容

为了克服背景技术的不足，本发明提供一种电流体动力学同轴打印聚合物金属复合超材料的喷头。

本发明所采用的技术方案：一种电流体动力学同轴打印聚合物金属复合超材料的喷头，其特征在于：包括外壳、内芯、喷嘴、高压电极；所述内芯设置在外壳内，所述内芯与外壳之间形成保温腔，所述外壳上设有与保温腔连通的保温液进口与保温液出口；所述喷嘴设置在外壳底部中心，并连接高压电极；所述内芯上形成有金属熔体进口通道、聚合物进口通道以及分别指向喷嘴的金属熔体出口流道、聚合物出口通道；所述金属熔体进口通道与金属熔体出口流道相连通，所述聚合物进口通道与聚合物出口通道相连通。

所述内芯与外壳安装接触的部分设置有一层密封防漏层。

所述金属熔体出口流道与聚合物出口通道均为狭缝流道，所述金属熔体出口流道的长度为100μm ~700μm，宽度为60μm ~600μm，所述聚合物出口通道的长度为100μm ~700μm，宽度为60μm ~600μm。

所述高压电极的电压强度为5KV ~30KV。

所述喷嘴为缝隙型长方形断面喷嘴，长为90μm ~800μm，宽为45μm ~600μm。

所述内芯包括底板、第一安装块、第二安装块、第三安装块、中心块；

所述底板中心设有安装通槽，所述喷嘴安装在安装通槽内；

所述第一安装块设置在底板上，并压住喷嘴，所述第一安装块中心设有锥形通槽；

所述第二安装块设置在第一安装块、所述第三安装块设置在第二安装块上，且第二安装块与第三安装块上共同形成有金属熔体进口通道，所述金属熔体进口通道通向锥形通槽；

所述中心块一端呈锥形，并设置在锥形通槽内，与锥形通槽共同形成金属熔体出口流道，所述中心块另一端穿过第二安装块与第三安装块中心并固定，所述中心块中心形成有聚合物进口通道与聚合物出口通道。

所述底板、第一安装块、第二安装块、第三安装块之间均通过螺栓相互固定连接。

所述底板、第一安装块、第二安装块、第三安装块之间均设有密封件。

本发明的有益效果是：采用以上方案，通过在保温腔内加入保温液，满足打印过程中的高温条件，防止熔融态材料固化；同时金属熔体与聚合物熔体直接进入喷嘴，在高压电极的高压电场作用下喷射而出，无需溶剂辅助，射流过程较易控制；且打印出的聚合物金属复合材料具有表面积大、孔隙率高等优点，可作为离子聚合物金属复合材料应用于仿生、医学工程、制动器等领域，也可作为电磁超材料，应用于防辐射衣服，隔绝95%以上的紫外线与电磁波。

附图说明

图1为本发明实施例喷头的结构示意图。

图中1-外壳，2-内芯，21-底板，22-第一安装块，23-第二安装块，24-第三安装块，25-中心块，3-喷嘴，4-高压电极，5-保温腔，6-金属熔体进口通道，7-聚合物进口通道，8-金属熔体出口通道，9-聚合物出口通道，10-密封防漏层，11-保温液进口，12-保温液出口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：

如图所示，一种电流体动力学同轴打印聚合物金属复合超材料的喷头，包括外壳1、内芯2、喷嘴3、高压电极4；所述内芯2设置在外壳1内，所述内芯2与外壳1之间形成保温腔5，所述外壳1上设有与保温腔5连通的保温液进口11与保温液出口12；所述喷嘴3设置在外壳1底部中心，并连接高压电极4；所述内芯2上形成有金属熔体进口通道6、聚合物进口通道7以及分别指向喷嘴3的金属熔体出口流道8、聚合物出口通道9；所述金属熔体进口通道6与金属熔体出口流道8相连通，所述聚合物进口通道7与聚合物出口通道9相连通。

保温液能够从保温液进口11流入，并从保温液出口12流出，保证保温腔5内具有流动恒温的保温液，通过保温液的高温满足打印过程中的高温条件，保证金属熔体与聚合物熔体保持熔融状态，避免固化。

金属经加热呈熔融状态，由金属熔体进口通道6进入，并由金属熔体出口流道8流出进入喷嘴3，同时聚合物经加热呈熔融状态，由聚合物进口通道7进入，并由聚合物出口通道9流出进入喷嘴3，使得金属熔体与聚合物熔体相互融合由喷嘴3流出，流出的混合滴液经高压电极的高压电场作用，实现喷射，无需溶剂辅助，射流过程较易控制。

如图所示，所述内芯2与外壳1安装接触的部分设置有一层密封防漏层10，密封防漏层10起到较好的密封效果，确保不会出现保温液与熔体之间的渗透、泄露，进一步保证打印效果。

另外，所述金属熔体出口流道8与聚合物出口通道9均为狭缝流道，所述金属熔体出口流道8的长度为100μm ~700μm，宽度为60μm ~600μm，所述聚合物出口通道9的长度为100μm ~700μm，宽度为60μm ~600μm。

所述高压电极4的电压强度为5KV ~30KV。

所述喷嘴3为缝隙型长方形断面喷嘴，长为90μm ~800μm，宽为45μm ~600μm。

金属材料可以选择镓、铟、锡、铷、铯、钫等低熔点金属材料，聚合物材料材料可以选择聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚砜酰胺（PSA）、聚ε-己内酯（PCL）。

根据不同的金属材料与聚合物材料材料，可以选择不同尺寸的金属熔体出口流道8、聚合物出口通道9、喷嘴3以及不同电压强度的高压电极4。

如图所示，所述内芯2包括底板21、第一安装块22、第二安装块23、第三安装块24、中心块25；所述底板21中心设有安装通槽，所述喷嘴3安装在安装通槽内；所述第一安装块22设置在底板21上，并压住喷嘴3，所述第一安装块22中心设有锥形通槽；所述第二安装块23设置在第一安装块22、所述第三安装块24设置在第二安装块23上，且第二安装块23与第三安装块24上共同形成有金属熔体进口通道6，所述金属熔体进口通道6通向锥形通槽；所述中心块25一端呈锥形，并设置在锥形通槽内，与锥形通槽共同形成金属熔体出口流道8，所述中心块25另一端穿过第二安装块23与第三安装块24中心并固定，所述中心块25中心形成有聚合物进口通道7与聚合物出口通道9。内芯2通过底板21、第一安装块22、第二安装块23、第三安装块24、中心块25多个部分组成，更方便安装，其中底板21、第一安装块22、第二安装块23、第三安装块24之间均通过螺栓相互固定连接，连接非常方便。且底板21、第一安装块22、第二安装块23、第三安装块24之间均设有密封件，确保密封效果。

下面再以一个具体的例子进行打印观察：

取PCL为聚合物材料，其分子量为80000，熔点为60℃，取金属材料镓，其原子量为69.723，熔点为29.8℃，聚合物出口通道长为300μm，宽为150μm，金属熔体出口流道长为450μm，宽为300μm，

喷嘴长为180μm，宽为120μm，保温液温度为70℃，高压电极提供电压30KV。

在高压电场作用下，将聚合物PCL与金属镓的熔体喷射到收集板上，通过高速摄像头可观察到喷射的聚合物金属复合材料液滴直径为9μm。

与传统的聚合物金属复合材料相比，该聚合物金属复合材料具有表面积大、孔隙率高等优点，可作为离子聚合物金属复合材料应用于仿生、医学工程、制动器等领域，也可作为电磁超材料，应用于防辐射衣服，隔绝95%以上的紫外线与电磁波。

实施例不应视为对发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。