微納波紋結(jié)構(gòu)制造裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微納波紋結(jié)構(gòu)制造裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]波紋結(jié)構(gòu)由于其獨特的力學(xué)性能及其在柔性可拉伸電子、納米光電器件的潛在用途，近年來引起了人們的廣泛研宄。尤其是在柔性電子制造領(lǐng)域，如電子皮膚、柔性可拉伸顯示屏等，多采用波紋結(jié)構(gòu)作為電子元件互聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而具有極高的抗拉伸、抗彎曲性能。
[0003]為了獲得蜿蜒波紋結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有技術(shù)已提出了一些解決方案，如采用預(yù)拉伸方法，先將柔性基底進行預(yù)拉伸，然后噴印連接結(jié)構(gòu)，在預(yù)拉伸釋放后，基板恢復(fù)自然狀態(tài)，連接結(jié)構(gòu)由于受到壓力，屈曲成蜿蜒狀，從而具有較好的抗拉伸性能。然而，該制造方法仍然存在諸多不足，如需要預(yù)拉伸工序，流程復(fù)雜，且其抗拉伸能力受預(yù)拉伸程度影響，因為其是將波紋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到預(yù)應(yīng)變的彈性橡膠基板上，然后釋放基板，形成屈曲結(jié)構(gòu)，不可避免的引入殘余應(yīng)力。
[0004]專利CN102162176A中提出了一種利用靜電紡絲來制備微納波紋結(jié)構(gòu)的方法，其通過將靜電紡絲高分子溶液經(jīng)由噴頭進行噴射，并經(jīng)過電場作用落在柔性基板上，利用射流的非線性不穩(wěn)定“鞭動”，在空間形成螺旋狀，根據(jù)射流速度，移動金屬收集板，在基板上沉積形成波紋結(jié)構(gòu)。然而，進一步的研宄表明，盡管上述現(xiàn)有解決方案能在一定程度上解決波紋結(jié)構(gòu)制備過程中殘余應(yīng)力大的問題，但仍然存在以下的技術(shù)問題:由于靜電紡絲中的“鞭動”行為本身跟溶液的密度、表面張力、電導(dǎo)率、介電常數(shù)等綜合因素相關(guān)，是電紡絲本身的一種特性，由于影響因素眾多、機制復(fù)雜，導(dǎo)致多數(shù)纖維的“鞭動”行為雜亂無章，沉積的纖維也多為隨機的、無規(guī)律的無紡布形態(tài)；另外，為實現(xiàn)“鞭動”行為，需針對不同溶液體系，對多種工藝參數(shù)(如電壓、噴射距離、流量等)進行調(diào)整，參數(shù)控制較為困難，只能在特定的工藝參數(shù)下，才能獲得穩(wěn)定可靠的“鞭動”。且由于靜電紡絲工藝自身的局限性，目前仍沒有成熟的方法，實現(xiàn)靜電紡絲的高精度定位沉積與圖案化。因此這種制備微納波紋結(jié)構(gòu)的方法往往效率較低，不能長期、穩(wěn)定地獲得特定波紋結(jié)構(gòu)，實際可操作性差。
[0005]熱感生電場誘導(dǎo)流變成形技術(shù)，利用鐵電晶體等熱電材料，在熱源輻射下，產(chǎn)生感生電場，使聚合物在熱感生電場的作用下，流變拉伸，形成泰勒錐，泰勒錐尖端與運動的接收基板接觸，結(jié)合接收基材運動，完成微納圖案的直寫。
[0006]卷繩效應(yīng)(Liquid rope-coil effect)，廣泛存在于粘性流體運動過程中。粘性流體非線性運動過程中，因為局部的不均衡受力，導(dǎo)致液柱向某一個方向彎折(buckling)，形成的非線性振動。這個振動先是在某一個平面內(nèi)產(chǎn)生的，但在和個平面垂直的方向看，則只是壓縮形變(crushing)。在這個平面上，一旦有新的因素，誘發(fā)在這個平面內(nèi)發(fā)生彎折，就會出現(xiàn)另外一個振動。兩者所在的平面相互垂直。前后兩種振動疊加，形成三維振動。兩個振動的振幅、頻率也不同，產(chǎn)生出來的綜合形態(tài)也不同。因此在平面上產(chǎn)生的堆積形變可表現(xiàn)為單純的折疊(folding)，也可表現(xiàn)為花辧型，也可表現(xiàn)為8字型(figure of eight)。當兩個平面內(nèi)的振幅以及頻率趨于一致，堆積則表現(xiàn)為螺旋狀，卷繩效應(yīng)產(chǎn)生。其堆疊的形狀，頻率和波長，與流體粘度、流量速度、高度、接收板的運動速度等因素有關(guān)。(參考文獻:K Habibi M, Hosseini S H, Khatami M H, et al.Liquid supercoiling[J].Physicsof Fluids (1994-present), 2014，26(2): 024101.)D

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供微納波紋結(jié)構(gòu)制造裝置與方法。
[0008]本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:
微納波紋結(jié)構(gòu)制造裝置，
包括控制系統(tǒng)，熱源，接收基材，熱電體，擠出板，儲液裝置；
其中，控制系統(tǒng)分別與熱源、接收基材、擠出板、儲液裝置相連；
熱源用于向熱電體提供熱輻射以產(chǎn)生感生電場；
儲液裝置與擠出板相連，其用于向擠出板提供流動態(tài)聚合物材料；
擠出板用于向接收基材輸出流動態(tài)聚合物材料。
[0009]所述的擠出板上設(shè)有多個擠出口。
[0010]所述的儲液裝置通過多個管路與擠出板相連通。
[0011]所述的熱電體為鐵電體。
[0012]所述的鐵電體為BaTi03、SrTi03、LiNbO3中的一種。
[0013]一種微納波紋結(jié)構(gòu)制造方法，步驟為:
1)將流動態(tài)聚合物材料置于所述的裝置的儲液裝置中；
2)控制系統(tǒng)控制熱源工作以進行熱輻射，在熱源輻射下，熱電體產(chǎn)生感生電場；
3)在控制系統(tǒng)控制下，儲液裝置向擠出板提供流動態(tài)聚合物材料，流動態(tài)聚合物材料在感生電場的作用以及控制系統(tǒng)的控制下，流變拉伸，形成泰勒錐，泰勒錐尖端與接收基材接觸；
4)控制擠出板與接收基材在Z軸方向上保持設(shè)定的距離，在XY平面內(nèi)保持設(shè)定的相對運動速度，流動態(tài)聚合物材料在接收基材上形成微納波紋結(jié)構(gòu)。
[0014]步驟I)中，所述的流動態(tài)聚合物材料為下列熔融態(tài)的聚合物材料中的至少一種:PCL、PLA、PMMA, ABS、PAM、ACR、PU、PA、PET、PBT、POE、EVA、CPE、EP、PP、PE ;或者為下列聚合物材料中的至少一種溶于溶劑中所得的流動態(tài)聚合物材料:PE0、PLGA, PVDFo
[0015]步驟2) -3)中，控制系統(tǒng)控制熱源的輻射強度，從而控制感生電場的強度，進而控制流動態(tài)聚合物材料的流變拉伸速度。
[0016]步驟3)中，通過儲液裝置與擠出板之間的多個管道，控制系統(tǒng)控制輸液裝置選擇性的向擠出板輸出流動態(tài)聚合物材料。
[0017]步驟4)中，具體采用數(shù)控X、Y、Z軸精密移動平臺控制擠出板與接收基材在Z軸方向的距離，以及擠出板與接收基材在XY平面內(nèi)的相對運動速度。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明采用熱感生電場，產(chǎn)生泰勒錐尖所需要的電壓閥值更低，且適于多路輸出直寫，可以避免相互之間的干涉，相比近場電紡，本發(fā)明的方法更穩(wěn)定，射流不穩(wěn)定現(xiàn)象大大降低，通過控制射流速度、擠出板與接收基材之間的相對運動速度與距離，可以形成多種波紋圖案。
[0019]具體的:
1)本發(fā)明采用熱感生電場代替高壓電場，可以避免直寫噴頭離基板距離近時容易產(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象，且直寫過程更安全；
2)使用平板代替?zhèn)鹘y(tǒng)靜電紡絲的針頭，電場分布情況更集中，產(chǎn)生泰勒錐尖需要的感生電壓閥值更小，且能適用于多射流直寫，效率更高，而不會出現(xiàn)傳統(tǒng)多針頭靜電紡絲的干涉現(xiàn)象；
3)直寫過程可避免靜電紡絲過程中的“鞭動”的發(fā)生，相比近場電紡更穩(wěn)定，減弱了電紡過程中的射流不穩(wěn)定性；
4)根據(jù)射流速度，改變運動平臺的速度，改變擠出平臺與接收基材的距離，即可獲得不同類型、波長和頻率的波紋結(jié)構(gòu)，同時可以通過改變擠出平臺與接收基材的距離，控制泰勒錐尖端與接收板的接觸程度，控制直寫波紋圖線的尺寸。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0021]如圖1所示:
微納波紋結(jié)構(gòu)制造裝置，
包括控制系統(tǒng)I，熱源2，接收基材3，熱電體4，擠出板5，儲液裝置6 ;
其中，控制系統(tǒng)分別與熱源、接收基材、擠出板、儲液裝置相連；
熱源用于向熱電體提供熱輻射以產(chǎn)生感生電場；
儲液裝置與擠出板相連，其用于向擠出板提供流動態(tài)聚合物材料；
擠出板用于向接收基材輸出流動態(tài)聚合物材料。
[0022]優(yōu)選的，所述的擠出板上設(shè)有多個擠出口。
[0023]優(yōu)選的，所述的儲液裝置通過多個管路與擠出板相連通。
[0024]優(yōu)選的，控制系統(tǒng)可以控制供熱源的熱輻射強度，進而調(diào)節(jié)感生電場的強度大小；
優(yōu)選的，熱電