一种复频电流体动力学打印装置及其打印方法与流程

本发明涉及一种3d打印技术领域,具体涉及一种复频电流体动力学打印装置及其打印方法。

背景技术：

聚合物金属纳米颗粒复合材料的3d打印是目前增材制造研究中新的研究方向和重点发展领域之一。聚合物金属纳米颗粒复合材料由于添加了金属而改变了聚合物的物理化学性质并产生不同于聚合物基体和金属纳米颗粒本身的新特征，通过3d打印可产生特殊微纳结构且具有多种新功能（磁性、介电、压电、光电等超功能），其应用领域十分广泛，从超材料、量子隧道效应、柔性传感器到各种纳米功能器件等领域都有应用前景。

聚合物金属纳米复合材料制备的主要方法有溶液涂膜、高能球磨法、离子溅射法或溶剂浇铸成型等。此外，兰缪尔-布洛吉特沉积法、电沉积以及逐层沉积法等也被用于聚合物纳米颗粒复合薄膜的制备。但是，上述技术几乎都采用水作为溶剂，并且兰缪尔-布洛吉特分子必须具有两亲性，即需要具有亲水基团和疏水基团使分子在空间上呈现彼此分离的两个部分，这一要求大大限制了该技术的适用范围。电沉积是一种用于聚合物与金属纳米颗粒复合材料的功能表面制备的有效方法，通常需要三电极液态环境且在稳定的电流或稳定的电压下进行，但操作复杂且参数难于控制。逐层沉积技术基于带相反电荷的粒子之间的静电吸引作用，逐层沉积技术提供了一种简单通用且有效的方法用于制成多种纳米结构。

在逐层加工的方法中，电流体动力学打印是一种快速有效且精度可控的方法。电流体动力学打印是一种新型的3d打印方法，属于纳米材料溶液打印，被认为是3d打印中可以实现纳米尺度打印的一种，被用于聚合物金属银纳米粒子复合材料的打印制造太赫兹超材料展示了诱人的前景。电流体动力学打印不需要特定的液态环境，对环境温度要求较低且能够按需逐层打印，能有效控制沉积层的厚度及结构，相比于上述的其它聚合物纳米粒子复合材料制造方法有明显的优势。但这种溶液打印，金属纳米颗粒的浓度不能太高，达到实用的纳米颗粒浓度要求进一步增加工作电压。因为金属纳米颗粒的增加会使溶液粘度和表面张力增加，则必须增加外电场强度，但此举可导致打印液滴表面电荷密度增加，而产生电晕放电；同时，与只有聚合物溶液相比，增加金属纳米粒子后，复合材料的介电特性改变，绝缘性能下降导致高电压容易产生电击穿。这样，存在一方面要求电压增加而另一方面要求电压减小的矛盾。因此，迫切需要一种新的电压控制方法解决电流体动力学打印过程中出现的这一矛盾。

基于这一问题，本发明提出一种复频电流体动力学打印方法，解决电流体动力学打印聚合物金属纳米颗粒复合材料的电压控制技术壁垒。本发明在3d打印和微纳制造等领域具有普遍应用前景，将为柔性传感器、超材料的3d打印制备等提供一种新的方法。

技术实现要素：

为了克服背景技术的不足，本发明提供一种复频电流体动力学打印装置及其打印方法，解决现有聚合物金属纳米颗粒复合材料在现有加工方法中存在操作复杂且参数难于控制、在电流体动力学加工方法中电压施加难以控制等问题。

本发明所采用的技术方案：一种复频电流体动力学打印装置,包括直流电源、高频变压器、中频变压器、喷头、导电阳极、环形辅助电极、平板电极；所述喷头接触连接导电阳极，所述环形辅助电极设置在喷头下方，所述平板电极设置在环形辅助电极下方，所述环形辅助电极、平板电极共同接地；所述直流电源连接导电阳极、平板电极形成直流电场，所述高频变压器连接导电阳极、环形辅助电极形成高频交流电场，所述中频变压器连接导电阳极、平板电极形成中频交流电场。

所述直流电场、高频交流电场、中频交流电场共同形成复频电压所述复频电压为v，v=v0+v1(sinω1t)+v2(sinω2t+φ)；

v0为直流电源电压，其中，0.9kv≤v0≤20kv；

v1(sinω1t)为高频交流电场所施加的电压，v1为高频变压器输出的额定电压，ω1为角频率，t为持续时间，其中0.9kv≤v1≤20kv，6283rad/s（1000hz）≤ω1≤12566rad/s（2000hz）；

v2(sinω2t+φ)为中频交流电场所施加的电压，v2为中频变压器输出的额定电压，ω2为角频率，t为持续时间，其中，0.9kv≤v2≤20kv，817rad/s（130hz）≤ω2≤3142rad/s（500hz），0≤φ≤π。

所述喷头的内径为0.5-5.5mm，长为3-5cm。

所述环形辅助电极距离喷头的距离为0.3-2cm。

所述平板电极距离喷头的距离为0.8-3cm。

一种上述复频电流体动力学打印装置的打印方法，包括如下步骤：

步骤1：采用高能球磨法制备金属纳米颗粒，并将其分散到聚合物溶剂中，超声分散制备聚合物金属纳米颗粒复合材料溶液；

步骤2：将制备完成的聚合物金属纳米颗粒复合材料溶液通过3d打印机供料系统输送至喷头；

步骤3：直流电场、高频交流电场、中频交流电场共同施加电压形成复频电压v；

步骤4：在高强电场作用下，聚合物金属纳米颗粒复合材料溶液在喷嘴下方形成电流体动力学打印液滴，并可通过高速摄像机观察到液滴运动轨迹和形态变化。

本发明的有益效果是：采用以上方案，施加复频电压可使绝缘性能下降的聚合物纳米颗粒复合材料在电流体动力学打印过程中不会因超高电压的施加而产生电击穿，又可保证超高电压条件下打印液滴表面电荷密度增加不致产生电晕放电现象，可为超材料、柔性传感器及各种纳米功能器件3d打印领域前沿科学研究提供强有力的技术支持。

附图说明

图1为本发明实施例复频电流体动力学打印装置的结构示意图。

图2为本发明实施例复频电压施加示意图。

图中1-直流电源，2-高频变压器，3-中频变压器，4-喷头，5-导电阳极，6-环形辅助电极，7-平板电极，8-喷出的滴液。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式，并以湿度传感器所需聚合物金属复合材料为例。

如图1所示，一种复频电流体动力学打印装置,包括直流电源1、高频变压器2、中频变压器3、喷头4、导电阳极5、环形辅助电极6、平板电极7；所述喷头4接触连接导电阳极5，所述环形辅助电极6设置在喷头4下方，所述平板电极7设置在环形辅助电极6下方，所述环形辅助电极6、平板电极7共同接地；所述直流电源1连接导电阳极5、平板电极7形成直流电场，所述高频变压器2连接导电阳极5、环形辅助电极6形成高频交流电场，所述中频变压器3连接导电阳极5、平板电极7形成中频交流电场；所述直流电场、高频交流电场、中频交流电场共同形成复频电压。

复频电压可使绝缘性能下降的聚合物纳米颗粒复合材料在电流体动力学打印过程中不会因超高电压的施加而产生电击穿，又可保证超高电压条件下打印液滴表面电荷密度增加不致产生电晕放电现象，可为超材料、柔性传感器及各种纳米功能器件3d打印领域前沿科学研究提供强有力的技术支持。

其打印方法包括如下步骤：

步骤1：采用高能球磨法制备粒径为21nm的银纳米颗粒，并将其分散到快速固化聚合物聚乙烯醇pva（分子量98000gmol^-1）溶液中，形成聚合物金属纳米颗粒复合材料溶液；

步骤2：将制备完成的聚乙烯醇银纳米颗粒复合材料溶液通过复频电流体动力学打印装置的供料系统输送至喷头，所述喷头长为2.5cm，直径为0.75mm，所述环形辅助电极距离喷头的距离为1cm，所述平板电极距离喷头的距离为3cm；

步骤3：直流电场、高频交流电场、中频交流电场共同施加电压形成复频电压v，v=v0+v1(sinω1t)+v2(sinω2t+φ)，v0为直流电源电压，v1(sinω1t)为高频交流电场所施加的电压，v2(sinω2t+φ)为中频交流电场所施加的电压，v1为高频变压器输出的额定电压，ω1为高频变压器的角频率，v2为中频变压器输出的额定电压，ω2为中频变压器的角频率，t为持续时间，其复频电压施加方式如图2所示，其中v0=4.5kv，v1=9.5kv，v2=11.5kv，ω1=7538rad/s（1200hz），ω2=1884rad/s（300hz），φ=0；

步骤4：在高强电场作用下，聚乙烯醇银纳米颗粒复合材料溶液在喷嘴下方形成电流体动力学打印液滴，并可通过高速摄像机观察，在275μs时，可形成电流体动力学射流。

当然，根据不同的聚合物金属复合材料，v0、v1、v2、ω1、ω2、φ的值对应不同的值。

其中0.9kv≤v0≤20kv，0.9kv≤v1≤20kv，6283rad/s（1000hz）≤ω1≤12566rad/s（2000hz）；0.9kv≤v2≤20kv，817rad/s（130hz）≤ω2≤3142rad/s（500hz），0≤φ≤π。

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。