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随着微纳器件与系统集成度的不断提高,微纳器件逐渐从单一平面结构发展为三维结构。微纳尺度三维结构在电子信息、生物医疗等领域具有广泛的应用前景,其制造技术对三维微纳器件的发展具有重要的意义。电流体喷射打印具有分辨率高、材料适应性广、工艺简单等优点,是制备三维微纳结构的有效途径之一。目前,三维微纳结构的电流体喷射打印普遍采用逐层累加构筑的方式,获得的结构多存在尺度限制及结构缺陷。本文基于电流体动力效应和流体传热理论,提出了热场调控电流体喷射打印新方法,实现了 PCL/PVP复合生物支架和高深宽比亚微米PZT针形结构的打印制造。研究内容主要包括如下五部分:(1)研究了热场调控电流体喷射打印的机理,基于电流体动力效应和流体传热特性,分析了电喷射流的受力,建立了热场-电场-流场复合作用下电喷射流的数值仿真模型,分析了多场复合作用流体的电荷运动行为及射流速度演变规律,研究了热场粘化-细化射流的作用机制,获得了流体内因溶剂挥发引起浓度-粘度的变化规律,仿真研究了温度、电压、流量对射流形成的影响,揭示了关键工艺参数对射流形状和尺寸的作用机理,获得了稳定射流形成的参数范围。(2)建立了电喷电流与射流参数的在线测量与反馈控制方法,研发了热场调控电流体喷射打印设备,根据仿真研究获得的热场参量与射流行为的匹配规律,研制了热场调控装置,开发了电喷打印喷头,研制了电流测量装置,分析了不同模式打印下电喷射流的电流特征,研究了脉冲频率、流量对射流电流及打印结构尺寸的影响规律,实验得出了易于获得稳定可控射流及高一致性打印结构的电流范围,通过合理选择电流范围并在线调整流量,实现了多种石墨烯微结构的打印制造,开发了打印设备的控制系统,实现了设备功能模块之间的协同控制,提高了打印设备的操控性。(3)研究了 PCL/PVP复合支架的热场调控电流体喷射打印工艺,探明了关键工艺参数对射流行为和打印结构的影响规律。分析了热场-电场-流场复合作用的粘化、细化射流和固化结构的作用机理,以聚合物溶液为功能材料,研究了温度、电压、流量和水平拉伸速度对热场调控电喷射流行为和打印结构特征的影响规律,打印成形结构尺寸与温度、电压、水平拉伸速度成反比,与液体流量成正比。打印了最小特征尺寸为700nm的二维图形和表面形貌均匀的高深宽比结构,制备了具有细胞尺度纤维且纤维间距有序、可控的PCL/PVP复合生物支架,软骨细胞培养结果显示支架具有良好的生物相容性。(4)研究了 PZT微针的热场调控电流体喷射打印工艺,探明了关键工艺参数对高粘立体射流柱和打印结构的影响规律。以PZT溶胶为功能材料,研究了温度、电压、垂直拉伸速度对热场调控电喷立体射流行为及尺寸的影响规律,探究了多场复合驱动高粘PZT柱状结构牵引形变的作用机制,研究了电场强度、间距等参数驱动牵引形变的影响规律,打印制造了具有空间几何特征的PZT微针,打印速度30 mm·s-1,最小特征尺寸为500nm、深宽比为200,展示出热场调控电流体喷射打印方法在亚微米尺度压电针形结构制造中的潜力。(5)研究了 PZT微针的力学及压电性能,探究了 PZT微针的后处理工艺,XRD、EDS、拉曼光谱和TEM测试表明烧结后的PZT微针获得了(100)方向择优取向的标准多晶钙钛矿晶体结构,并且结构内部致密无缺陷。打印制造的PZT微针最大延伸率高达6.97%、杨氏模量为32 GPa,压电常数d31为236.5×10-12CN-1,显示了高柔性和高压电特性。热场调控电流体喷射形成的少溶剂且高粘PZT立体射流柱,减小了后处理中因溶剂挥发引起的结构内部空洞与表面粗糙,抑制了结构的表面缺陷。打印了用于气流测试的PZT微纤毛,研发了 PZT微纤毛气流测试系统,测试分析了不同风速下PZT微纤毛的压电响应,实现了低风速下的感知,为气流传感器的设计制造提供了可行方案。