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作为一种新型的喷墨打印技术,电纺直写不需要对模版进行曝光,且具有控制简便、制造速度快等优点,因此,电纺直写在柔性电子和微纳系统集成制作中显示出巨大的发展潜力。高压直流电源输出电压的稳定性是电纺直写微纳米结构均匀性和沉积定位精确度的重要影响因素,而集成化、低成本电纺直写高压电源开发已成为电纺直写技术产业化应用的关键。论文主要针对电纺直写需求开展高压直流电源的设计制作,并基于此电源展开纳米纤维、微纳液滴及微米薄膜等多种微纳喷印制造。
电纺直写具有高电压、低电流、低功率的特点,采用单端他激式反激型开关稳压电源作为电源设计方案,高压电源主要分成高压产生模块、高频变压器和显示控制模块三大部分进行设计制作;对单端反激型变换器、PWM振荡器、功率开关管保护电路、倍压整流电路、反馈调节电路等各个模块进行结构设计及元器件选择,并仿真分析电路信号的传输特性。
通过分析PCB板的散热特性,进行PCB板的布线设计制作;设计完成高压电源反馈取样电路、电压输出模块、输入模块等控制电路的设计制作;完成电纺直写高压电源制作后开展高压电源的试调。所设计高压电源电压输出范围500~4000V,纹波系数小于0.5%,输出电流小于1mA,可满足电纺直写的应用需求。
基于所设计制作的高压电源开展验证性电纺直写实验,实验中采用实心探针,纳米纤维直径100~700nm,电纺直写高压电源电压的稳定输出对于减小纳米纤维直径和直径分布区域都具有较好的促进作用,电纺直写临界启动电压随着聚合物溶液浓度和喷头至收集板距离的增加而增大,电纺直写纳米纤维直径随施加电压的增加而增加;采用空心针芯作为喷嘴时,随着聚合物溶液浓度的增加,所喷印的微纳米结构将逐渐由离散液滴转变为珠链结构,并逐渐形成连续微米薄膜,实验结果:微纳液滴直径10~30μm、珠链结构液滴直径30~40μm、所形成的微米薄膜线宽2~70μm。配合二维运动平台的轨迹控制可实现电纺直写微纳结构的图案沉积控制。
研究结果表明,所设计制作的高压直流电源在减小输出电压波动、克服电压波动干扰方面具有较明显的优势,特别是在提高电纺直写微纳结构尺寸均匀性方面表现出较好的促进作用,有利于推动电纺直写技术控制水平的提高及其产业化应用。