电喷直写纤维的屈曲分析1).PDF

电喷直写纤维的屈曲分析1) 2) 段永青，黄永安 ，尹周平 （华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室，武汉，430074 ） 摘要：电流体动力喷印（电喷）工艺通过强电场将功能材料沉积到基板上，可实现纳米级分辨率图案化结构，为微纳米结构 的制备提供了一种新的途径。在预张拉橡胶基板上利用电喷工艺制备微结构，释放基板预应力后出现屈曲波纹，但因采用电 喷工艺参数不同，会出现法向和侧向两种屈曲模式。研究发现两种屈曲行为取决于电喷直写纤维的截面形式，本文通过能量 最小原则分析了法向屈曲和侧向屈曲发生的临界条件，临界应变较小的屈曲模式更倾向于发生。电喷直写纤维通常具有复杂 截面，为简化理论推导和仿真复杂度，本文以矩形截面和半椭圆截面为例，通过理论和仿真分析了长宽比 （长短轴之比）对 两种屈曲模式发生的影响，并以圆形截面为例，分析了弹模之比对两种屈曲模式发生的影响。通过确定纤维截面对屈曲行为 的影响，可通过控制电喷直写纤维的固化程度来调控屈曲行为，可充分利用电喷工艺生成良好变形能力的波纹纤维的同时， 具备工艺简单、灵活，价格低廉、可调控性强等优点。 关键词：电流体动力喷印；微/纳米纤维；屈曲；柔性电子 1 引言 柔性电子是将有机/无机材料电子器件制作在柔性基板上的新兴电子技术，其与传统电子的最根本区别 为其柔性，现一般用聚合物有机材料或塑料等柔性基板取代传统的刚性基板。柔性电子在电子皮肤、柔性 显示器、薄膜太阳能电池等领域有广泛的应用。伸缩电子作为一类最具挑战性的柔性电子器件，除了要求 实现弯曲变形外，还必须能够实现较大的拉伸、延展、弯扭变形和局部大应变，具有丰富的结构、材料和 [1] 工艺内涵 。由于伸缩电子的独特材料与结构性质，其在可大变形柔性微纳结构设计及其制造方面存在诸 多困难与挑战，如橡胶基板易变形、玻璃态转化温度低，须采用低温、非接触工艺。 电流体动力喷印 （电喷，Electrohydrodynamic Printing ）是通过电场 “拉”的方式将微喷嘴中的墨液转 [2] 移到基板上，具有工艺温度低、分辨率高、工艺可调性强、非接触式等特点 ，与橡胶材料和R2R 制造具 有良好的兼容性。电流体动力喷印分为电点喷、电纺丝、电喷涂三大类，可分别实现点、线、面的喷印。 电纺丝因能实现亚微米甚至纳米纤维的高效制作而得到广泛的研究，通过对纤维定位实现电喷直写纤维结 [3] 构。目前针对如何实现纤维的定位及收集进行了广泛研究，如Deitzel 等 使用附加电极控制纤维沉积区域， [4] [5] Theron 等 使用转动机械轴收集纤维，Sun 等 提出近场静电纺丝技术以实现纤维的直写。在预张拉橡胶 基板上利用电喷工艺制备微结构，释放基板预应力后出现屈曲波纹，为微纳米结构的制备提供了一种新的 1) 国家自然科学基金重点项目资助 2) E-mail: yahuang@hust.edu.cn 1 途径。因电喷工艺参数的不同，电喷直写纤维会出现法向和侧向两种屈曲模式。研究发现两种屈曲行为取 决于电喷直写纤维的截面形式。 本文利用电喷直写工艺在具有预应变的橡胶基板上打印直线从而生成波纹状纤维的方法，其与利用光 刻等传统工艺生成带状薄膜并铺展在预拉伸基板上相类似，但其工艺简单、灵活，成本低。本文第2 节介 绍了电喷直写纤维的屈曲现象，电喷直写纤维因截面不同会出现法向和侧向两种屈曲模式。第3 节分析了 两种屈曲模式的总能量。第4 节通过理论分析和有限元仿真分析截面和弹模之比对两种屈曲模式的影响。 2 电喷直写纤维的屈曲现象 2.1 屈曲行为 伸缩电子因具有良好的拉伸、弯扭等变形能力，在电子皮肤、智能传感器等领域具有广泛的应用。伸 缩电子要求器件能承受较大的变形，如超过50%的应变而不发生断裂，而传统无机材料的极限断裂