基于电喷"鞭动效应"的柔性微纳结构制造新原理

伸缩电子可实现独特的弯曲、拉伸和扭曲等复杂变形，其核心是可大变形柔性微纳结构设计与制造。目前主要利用屈曲原理进行结构设计，存在膜基界面滑移与剥离等问题，所用光刻工艺与基板不兼容，需结合低可控性的传印工艺。本项目将利用电喷"鞭动效应"制造柔性微纳结构，可直接在橡胶基板上低温沉积高度一致性、无残余应力的柔性微纳结构，关键在于解决鞭动行为的机理建模和多场调控。结合电喷工艺的溶液化、强电场、高分辨率等特点，从材料可打印性→工艺可调控性→结构可制造性等方面开展多学科交叉研究。从电场引起溶液中纳米材料的有序运动入手，建立纳米材料几何特征与浓度影响导电性和流变性的微观模型，探索微尺度场致流变行为与纤维鞭动机理，提出"鞭动"扩散与定向的多场调控方法，分析电喷成形结构的几何特征，在图案化结构设计中融入可制造性约束，协同优化材料、结构与工艺参数，实现复杂图案化结构的控形控性生成，为伸缩电子高效制造提供支持。

围绕项目研究计划，在可打印性、机理建模、工艺原理、结构制备、装备研制等方面主要取得如下进展：.1）可打印性研究：针对电喷印打印性要求，研究了溶液（PEO、银浆、PVDF）属性和工艺参数对纤维形貌的影响。通过PEO溶液研究表明形成纤维的质量分数为6~8wt%，最佳分子量为60~100万，电导率可调控纤维直径。..2）带电射流行为建模：a）建立了两端混合约束带电射流二维模型，实验验证了纤维可定位的临界工况，揭示了基板速度对纤维定位的决定作用；b）发现了空间射流的屈曲行为，建立了纤维三维模型，发现并验证了在沉积过程中的非线性分叉现象；c）建立了平面外/内屈曲机理模型，发现纤维截面形状对纤维-基板结构屈曲行为的影响机理。..3）电流体直写新原理：a）通过机械力牵引实现直径200nm纤维定位，研究了基板速度与纤维直径/形貌的线性/幂律关系，沉积了大规模均匀结构阵列、自组装点阵、串珠阵列等图案。b）基于射流屈曲行为提出了螺旋电纺丝直写工艺，实现波纹结构直写，为可延展电子提出了全新制造方案。..4）柔性结构与器件制备：a）利用螺旋直写工艺与自组织屈曲技术制备了自相似PVDF波纹结构，制备的超延展性压电能量捕获器（拉伸性>200%）；b）利用力控电纺丝直写工艺直接制备极化的PVDF用于柔性能量捕获系统，结合水热制备ZnO纳米棒阵列用于高灵敏性气体传感器，与表面张力驱动结合实现多级点阵的可控自组装制造；c）建立了薄膜断裂与薄膜-基板界面分层的竞争关系模型，计算得到图案化薄膜的临界厚度和长度，解决了阵列化结构失效机理问题。..5）电流体喷印装备研制：a）设计并制造出阵列化硅基喷嘴，提出了多级电压的电极控制，实现多喷嘴独立可控喷射。b）采用响应曲面法得到力控电纺丝工艺参数窗口，实现工艺参数协同优化。c）研发电流体动力喷印装备，比传统喷墨打印机分辨率高1-2个数量级。..6）成果总结: 在Lab Chip、Sci. Rep.等发表SCI论文19篇，出版著作“柔性电子制造：材料、器件与工艺”（科学出版社）；申请国家发明专利7项，授权12项；获得2014年瑞士日内瓦国际发明金奖、湖北省优秀自然科学论文一等奖；担任Sci. Rep.、J. Nanosci. Lett.编委、入选2013年国家优青、2015年国家青年拔尖；受邀/会议报告15次，联合培养博士4名、硕士5名。