同軸氣流作用下壓電驅動式微滴噴射行為的實驗研究

周 健， 裴澤光

(東華大學 機械工程學院， 上海 201620)

圖1 設有同軸氣流噴射槽的壓電式微滴噴頭結構示意圖和實物圖Fig.1 Schematic diagram and photo of airflow-assisted piezoelectric printhead

近年來，隨著材料學的飛速發展，基于微滴噴射原理的噴墨印刷技術因成本低、靈活性高、節省原料、不損傷基材等優點而越來越多地應用于各種功能材料和器件的加工與制備，如太陽能電池、無線電射頻識別(RFID)標簽、化學與生物傳感器、印刷電路板、光學微機電系統(MEMS)及智能紡織品等[1-2].

噴墨印刷按照微滴形成的方式主要分為連續式和按需式，后者由于只在印刷需要時才借助壓力波的作用噴射出單顆微滴而更具優勢，目前壓電驅動式在按需式噴墨印刷中應用最為廣泛[3].隨著對噴墨印刷分辨率和精度要求的逐步提高，微滴尺寸逐漸減小；當基底厚度較大或帶有毛羽時(如織物)，需采用較大的印刷隔距，使微滴的飛行時間增加.這兩個因素使微滴在運動過程中更易受到空氣阻力的干擾[1,4].此外，隨著噴墨印刷不斷向高速化方向發展，基底平移(速度可達20 m/s)產生的誘導氣流(庫埃特流)作用在微滴上的阻力會使其運動軌跡發生偏轉[5-7].可見，在噴墨印刷過程中，外界環境中擾動氣流的存在使微滴難以按照理想路徑垂直下落到達基底上的指定位置，從而產生沉積偏差.因此，如何消除擾動氣流對微滴定位準確度的影響已成為進一步提高噴墨印刷精度和可靠性所亟待解決的關鍵問題之一.

針對上述問題，本文提出了在壓電驅動式噴墨印刷過程中利用同軸氣流對微滴的飛行過程進行驅動，可提高其沉積速度，減小甚至消除擾動氣流導致的微滴沉積偏差；同時，同軸氣流也對微滴的形成過程產生影響，因此對同軸氣流作用下的微滴噴射行為進行研究，有助于利用同軸氣流提高微滴定位精度有效性.國內外對于液滴或液體射流在同軸氣流作用下的形成過程和流動特性已有諸多報道，包括液-氣流動聚焦[8-9]、同軸氣流霧化[10-11]、熔噴[12]等，但這些研究多是針對連續流動，在射流形成方式、流動尺度及應用領域等方面與噴墨印刷有所不同.目前，對于壓力波與同軸氣流共同作用下微滴噴射行為的研究還比較少見.

為此，本文基于自行設計與加工的同軸氣流輔助式壓電微滴噴頭，構建了微滴噴射與觀測系統，通過對同軸氣流作用下壓電驅動式微滴噴射過程進行分析，研究同軸氣流在微滴延伸、斷裂與飛行過程中的作用，明確同軸氣流強度對微滴噴射行為的影響，為同軸氣流輔助式壓電微滴噴頭的設計提供基礎，為提升噴墨印刷技術提供新思路.

1 實驗裝置

1.1 同軸氣流輔助式壓電微滴噴頭

本文設計并加工了一款設有同軸氣流噴射槽的壓電式微滴噴頭，結構及實物如圖1所示.噴頭由上蓋、噴腔體、底座和支撐體四部分(均由黃銅制成)從上到下依次疊加構成，相鄰各部件之間均有密封圈，以防液體與氣體泄漏.

噴腔體中心部分儲液腔呈錐形，腔上方用于驅動液體噴射的壓電片由PZT型壓電陶瓷片與薄黃銅片黏結構成.噴腔體側壁上設有貫穿其中并與儲液腔相連通的進液通道.噴嘴采用玻璃微噴嘴，主體為圓柱形，出口端為錐形.套在噴嘴入口段外部的硅膠管采用過盈配合方式嵌入噴腔體和底座中心孔中，使噴嘴與儲液腔相連接，并對玻璃微噴嘴起保護作用.

底座側壁上沿噴頭徑向設有3個進氣通道，內徑為3 mm，沿噴頭周向均勻分布(相鄰夾角為120°)，以保證所形成同軸氣流的均勻性.支撐體中心處設有呈錐形且錐角為120° 的氣流噴射孔，使之與底座間形成氣室，其上游和下游分別與進氣通道和氣流噴射孔相連接.玻璃微噴嘴位于氣流噴射孔中心并從中伸出，可在外圍形成環形的氣流噴射槽.氣流經由進氣通道進入氣室內，隨后經氣流噴射槽噴出，從而在噴嘴外圍形成同軸氣流.壓電式噴頭的主要結構參數如表1所示.

表1 壓電式噴頭結構參數(mm)Tab.1 Structural parameters of piezoelectric printhead (mm)

1.2 微滴噴射與觀測系統

基于上文噴頭，設計并搭建了微滴噴射與觀測系統，如圖2所示.利用逆壓電效應，壓電陶瓷片在受到脈沖電壓(U)的激勵后產生機械振動，儲液腔內部體積發生變化從而驅動微滴從噴嘴噴出.實驗中由波形信號發生器(Tektronix AFG 3022C)產生波形信號，經由電壓放大器(Agitek ATA-2032)放大后驅動壓電片，利用示波器(Tektronix MSO 2024B)將放大后的波形信號進行實時顯示.波形信號選用雙極性梯形波.

基于微滴噴射過程中同一時刻不同微滴間良好的可重復性，微滴觀測系統采用電荷耦合器件(CCD)相機(Imaging Source DFK 23G274)，并在實驗中通過精確調整相機曝光相對微滴噴射的滯后時間來獲取不同時刻的微滴圖像.CCD相機上裝有放大鏡頭(Moritex MML2-HR65D)，照明采用LED陣列光源(Thorlabs LIU525B)，光源與CCD相機位于噴頭的兩側并相對布置，采用背光法[13-14]拍攝.實驗均在室溫下進行，噴射液體選用純凈水.

實驗中采用的波形與主要設備參數如表2所示，梯形波中tr為上升時間，td為停留時間，tf為下降時間，tw為脈沖寬度.

圖2 微滴噴射與觀測系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of micro-droplet ejection and observation system

表2 波形與主要設備參數Tab.2 Waveform and main device parameters

1.3 微滴噴射行為觀測

圖3顯示了由微滴觀測系統拍攝到的同軸氣流壓強p分別為0(即未噴射同軸氣流)和100 kPa時的微滴噴射過程.由圖可見，兩種情況下微滴的噴射過程均可劃分為以下階段：

圖3 同軸氣流壓強不同時的微滴噴射過程Fig.3 Micro-droplet ejection processes with different coaxial airflow pressures

2 同軸氣流對微滴噴射行為的影響

2.1 微滴延伸過程

圖4 微滴噴射過程及不同壓強氣流作用下微滴形態Fig.4 Micro-droplet ejection process and droplet morphology under different air pressures

圖5 氣流壓強對微滴長度隨時間變化的影響Fig.5 Effects of air pressure on variation of droplet length over time

2.2 微滴斷裂時刻

同軸氣流強度不同時，t1相同，但t2則不同，同軸氣流的強度越大，t2的值越大，即頭部與尾部的斷裂時刻就越滯后.在B處發生斷裂主要是由于噴嘴出口附近液體的回吸和下方液柱的拉伸作用，“安全區”使噴嘴出口附近的下方液柱未受氣流作用，所以這部分液柱向下的拉伸作用與未施加同軸氣流時無明顯差別，不同氣流強度下微滴在噴嘴出口處發生斷裂的時刻保持一致.如前所述，微滴頭部與尾部的斷裂發生在A處，當此處液體減少以致曲率半徑為0時，斷裂發生.

本文還研究了同軸氣流壓強對A處微滴直徑D的影響，如圖6所示.由于“安全區”下邊界大致位于A的上游，在氣流軸向分力作用下，位于A上游表面液體沿液柱向A加速流動，而氣流的徑向分力對微滴頭部液體產生擠壓，使其內部液體也向A流動.兩方面作用使A處液體增多，D值增大，進而使頭部與尾部的斷裂時刻延后.同軸氣流的強度越大，A處液體增加越多，因而頭部與尾部的斷裂時刻越滯后.

圖6 微滴直徑隨時間變化Fig.6 Variation of droplet diameter over time

2.3 微滴體積

為研究同軸氣流對噴射出的微滴體積的影響，假設微滴在噴射及飛行過程中為軸對稱形狀，利用圖像處理方法對所獲二維圖像中的微滴邊緣進行提取，隨后用切片法對微滴的體積進行計算.

圖7顯示了噴射微滴體積V隨時間的變化規律.當壓電片受到驅動電壓激勵后產生正向(與微滴運動方向一致)壓力波并驅使液體在t=0～600 μs時從噴嘴內擠出.在t=600 μs時，壓電片變形產生的正向壓力波已經衰減至不能驅動液體克服自身表面張力而擠出噴嘴，此時噴射出的液體體積達到最大值.由前可知，所設置的梯形波脈沖寬度為 1 300 μs，但由于液體黏性以及噴嘴出口距壓電片有一定距離，壓力波的部分能量被消耗，其作用于微滴的有效時間只有600 μs.因此，由圖可見，噴射微滴體積在t=0開始逐漸增大，并于t=600 μs時達到最大.在該時間段內，微滴體積隨時間近似呈線性變化，且同軸氣流及其強度變化對微滴體積沒有影響.這是由于在該階段，從噴嘴內噴射出的液體量主要由壓電片的變形規律所決定，在噴嘴出口附近的“安全區”內沒有同軸氣流的作用，既不會對壓電片振動和壓力波在儲液腔中的傳播產生影響，也不會對出口附近的液體產生向正向的驅動力.

此后，反向驅動電壓使壓電片產生反方向變形，使儲液腔內部體積增大而產生負壓，噴嘴出口處錐形區部分液體被回吸入噴嘴，直至t=1 000 μs時，微滴在噴嘴出口處發生斷裂為止.此階段微滴體積逐漸減小，與此同時，由圖7可見，同軸氣流會使噴射出的微滴最終總體積略有減小.這是因為同軸氣流徑向分力對微滴頭部的擠壓使其中部分液體負向(與微滴運動方向相反)流動，并越過“安全區”下邊界到達噴嘴出口附近，使微滴尾部液體量增加，繼而由于負壓作用，回吸入噴嘴的液體體積有所增大，導致噴嘴外部液體體積減小.但是由于起關鍵作用的波形信號和電壓幅值未發生變化，同時回流至接近噴嘴出口位置的液體較少，回吸的持續時間也較短，同軸氣流對噴射微滴最終總體積減小的效果不明顯.此后，由于微滴已在噴嘴出口處斷裂而進入飛行階段，故其體積保持不變.

圖7 微滴體積隨時間變化Fig.7 Variation of droplet volume over time

3 同軸氣流對主液滴和衛星液滴的影響

3.1 主液滴與衛星液滴位移

圖8 主液滴與衛星液滴位移示意圖Fig.8 Schematic diagram of primary and satellite droplet displacements

微滴在噴嘴出口處發生斷裂后，向下方飛行一段距離會進一步斷裂成主液滴和衛星液滴.以主液滴和衛星液滴前端和末端的某些點為研究對象，分析這些點在不同壓強氣流作用下其位移隨時間變化的規律，位移以噴嘴出口平面為基準，如圖8所示，主液滴前端點1、末端點2，衛星液滴前端點3、末端點4，對應位移為Xi(i=1,2,3,4).由于p=190 kPa時，微滴很快運動到相機視野以外，故不討論該類情況.

如圖9所示，主液滴與衛星液滴的位移隨時間而變化.隨著氣流壓強增大，主液滴和衛星液滴在同一時刻的位移均增大，表明同軸氣流對微滴沉積速度具有顯著增升作用，但由于“安全區”的存在，X4在小于500 μm時幾乎不受氣流壓強影響.同軸氣流對衛星液滴的加速效果不明顯，在主液滴和衛星液滴飛行過程中，始終有X3

圖9 主液滴與衛星液滴位移隨時間變化Fig.9 Variation of primary and satellite droplet displacements over time

3.2 主液滴與衛星液滴速度

微滴速度決定了微滴飛行時間的長短以及主液滴和衛星液滴的相對位置變化，是微滴噴射過程的重要運動學參數.微滴速度可表達為

(1)

圖10為微滴上各點速度隨時間變化的曲線，可見：t=0～250 μs時，微滴受到正向壓力波作用，從噴嘴中加速擠出，t=250 μs時點1速度達到最大；隨后，由于液體黏性力作用以及壓力波衰減，點1速度逐漸降低，于t=900 μs達到最小值.在此前時間段內，由于噴嘴內液體對微滴尾部存在的黏性力作用且微滴處于“安全區”內，同軸氣流壓強對點1速度的影響并不顯著.此后，微滴末端逐漸收窄，作用于微滴球狀頭部的黏性力逐漸減小，使點1速度逐漸增加，直至微滴于噴嘴出口處B發生斷裂，于t=1 000 μs時速度達到最大值；隨后，飛行的微滴頭部因其尾部速度較低而受到拖拽，速度在t=1 050 μs時迅速降低；再后，微滴頭部和尾部斷裂，拖拽作用消失，且由于存在同軸氣流，點1速度迅速增大，最終主液滴以較為穩定的前端速度向下方飛行.由圖10可以看出，微滴在噴嘴出口處發生斷裂后，前端點1隨著同軸氣流壓強的增大而增大.在飛行過程中主液滴末端點2速度隨時間發生了明顯波動，而點1速度基本呈增加趨勢，這表明主液滴在飛行過程中其形狀將隨時間發生振蕩.當未施加同軸氣流時，點2速度最小值可達到 -0.5 m/s左右，且振蕩頻率較高；隨著同軸氣流壓強增大，點2速度增大且波動幅度及頻率均有所下降.

圖10 微滴各點的速度-時間曲線Fig.10 Velocities of points on droplets over time

如小節3.1所述，微滴尾部與頭部發生斷裂后，尾部會先經歷一段時間的收縮過程，在該過程中，尾部前端液體不斷向末端流動，速度曲線上表現為點3速度在該時間段內為負值，但絕對值逐漸減小，如圖10(c)所示.v3開始為0，然后變為正值，并不斷增大，表明前端點3開始向下方運動.隨后衛星液滴點3速度值有波動，但基本為正值.由于同軸氣流導致微滴頭尾部的斷裂時刻發生了變化，隨著p的增加，v3曲線整體右移，且v3的極大值呈增大趨勢.由圖10(d)可見，微滴尾部末端點4速度隨時間變化，并較多地受到微滴自身振蕩的影響.當p=0時，在t=1 050～1 200 μs時，點4速度由于空氣阻力的影響略有降低.在t=1 200～1 250 μs時，點4速度明顯增加，衛星液滴完成收縮過程并開始振蕩.在t=1 250～1 400 μs時，振蕩使衛星液滴形狀逐漸收窄，導致液體反向流動，并與原先的正向流動相抵消，使t=1 300 和 1 350 μs時點4速度接近于零，近乎 “靜止”狀態.隨后，由于振蕩不斷衰減，衛星液滴末端向下方運動的速度將不斷增加，并于t=1 450 μs時達到極大值.t=1 450～1 600 μs時，v4逐漸減小，衛星液滴進入下一個振蕩周期.當存在同軸氣流作用時，微滴在噴嘴出口處發生斷裂后，末端仍處“安全區”內，并未受到同軸氣流的直接驅動作用，但氣流徑向力會擠壓點A下方液體向末端方向流動，v4隨著p增大而減小.隨著衛星液滴向下運動，末端點4逐漸脫離“安全區”而受到氣流軸向分力的驅動作用，v4逐漸增大，且在t=1 050～1 100 μs時，末端距離氣流噴射槽最近，受到氣流作用力最強，速度增大最為明顯.同時，p增大能夠減小當t=1 200～1 600 μs時因振蕩引起點4的速度波動.在t=1 550 μs之后，v4隨著p增大而顯著增大.

3.3 主液滴和衛星液滴形狀

微滴頭部與微滴尾部斷裂后，均會經歷一定時間的收縮、振蕩并最終分別形成主液滴和衛星液滴，二者以近似橢球體的形狀向下方飛行.定義參數以表征橢球形微滴的形狀，其表達式為

(2)

式中：Dv為微滴的垂直高度；Dh為微滴的水平寬度.如圖11(a)所示，θ值越大，微滴的形狀呈現為“窄高型”，而θ值越小，微滴的形狀則呈現為“扁平型”.如圖11(b)所示，當微滴受到不同強度的同軸氣流作用后，在同一時刻，主液滴和衛星液滴均會受到大小不同的氣流力的作用，從而各自形狀也會發生變化.

為描述主液滴與衛星液滴在飛行階段的形狀變化，假設它們在收縮和振蕩過程中的任意時刻均呈橢球形.圖12(a)和12(b)分別顯示了不同同軸氣流壓強下主液滴和衛星液滴在飛行階段中θ隨時間變化的規律.由圖12(a)可知，當p=0，t=1 050～1 250 μs時，主液滴θ由最大值1.256逐漸減小至最小值0.870，隨后從t=1 250 μs開始，θ逐漸增大，表明在這一過程中主液滴先由“窄高型”逐漸變為“扁平型”，再由“扁平型”恢復為“窄高型”.主液滴上表面受到同軸氣流的壓力而下表面受到空氣阻力的作用，上下表面的液體受到擠壓后向兩側流動，上下表面曲率半徑均增大，微滴水平寬度增加，垂直高度減小，微滴形狀變扁平.因此，同軸氣流強度的增大會減小主液滴振蕩過程中θ的最大值與最小值.

圖11 微滴形狀變化示意圖和實際觀測圖(t=1 450 μs)Fig.11 Schematic diagram and actual observation example of droplet shape (t=1 450 μs)

圖12 主液滴與衛星液滴θ隨時間變化Fig.12 Variation of θ for primary and satellite droplets over time

由圖12(b)可知，當p=0，t=1 050～1 250 μs時，衛星液滴θ由極大值θ1迅速下降，直至在t=1 250 μs時達到極小值θ2.在該時間段內，微滴尾部不斷收縮成球狀的衛星液滴.隨后，衛星液滴不停地振蕩，其θ值在t=1 250～1 400 μs時增大，并在t=1 400 μs時達到極大值θ3，而在t=1 400～1 500 μs時減小，并在t=1 500 μs時達到極小值θ4，又于t=1 500～1 600 μs時增大.θ在t=1 050～1 600 μs的變化過程中，任意相鄰極大值與極小值的差的絕對值Ti不斷減小，

Ti=|θi-θi+1|，i=1,2,3

此時衛星液滴形狀不斷趨于穩定.當p=0，100，130和160 kPa時，Ti不斷減小，表明同軸氣流有助于提高衛星液滴形狀的穩定性.在上述4種氣流壓強情況中，微滴尾部由“窄高型”到“扁平型”所需的時間分別為200，200，250和350 μs，表明所需時間隨著氣流壓強的提高而不斷增加.這不僅與同軸氣流使A處下移而致微滴尾部長度增大有關，而且與微滴尾部的實際受力有關.當微滴尾部與頭部斷裂時，呈明顯“窄高型”形狀，當p=0時，微滴尾部末端向下運動，而其前端在表面張力及空氣阻力的共同作用下向末端回縮.在這一過程中，液體從微滴尾部前端不斷向末端流動，使末端液體不斷增多，末端直徑不斷增大，當前端液體全部流動到末端時，微滴尾部收縮過程完成，由細長的圓柱形變為“窄高型”，再變為球形，最后變為“扁平型”.當微滴尾部受到同軸氣流作用后，氣流徑向分力不僅會擠壓微滴尾部末端兩側的液體，阻止了末端直徑的快速增大，同時氣流軸向分力還會抑制液體由前端向末端的流動，減緩了收縮過程，延長了收縮時間.這一現象在p較小時表現并不明顯，但是隨著p增大，這一現象將變得顯著.

同時可以觀察到，當微滴尾部收縮成為衛星液滴后，同軸氣流會使衛星液滴更加趨于“扁平”.在每個振蕩周期內，氣流壓強的增加會顯著降低θ的極大值，即抑制衛星液滴由“扁平型”向“窄高型”的變化.這是由于當微滴尾部收縮至“扁平型”后，微滴下表面受到的空氣阻力增大，擠壓液體向兩側移動，使微滴呈扁平狀.

圖13 D0隨氣流壓強的變化Fig.13 Variations of D0 with different air pressures

3.4 主液滴和衛星液滴直徑

4 結語

本文自行設計并加工了設有同軸氣流噴射槽的壓電式微滴噴頭，構建了微滴噴射與觀測系統，對同軸氣流作用下壓電驅動式微滴噴射行為進行了實驗研究，分析了同軸氣流對微滴噴射行為的影響.研究發現，隨著同軸氣流強度的提高，會出現如下規律：

(1) 微滴在形成階段中的延伸長度增加，微滴頭部體積減小.

(2) 微滴在噴嘴出口處的斷裂時刻不受同軸氣流影響，但微滴在飛行過程中頭部與尾部發生斷裂的時刻延后.

(3) 噴射出的微滴最終總體積略有減小，主液滴體積減小，衛星液滴體積增大.

(4) 主液滴與衛星液滴在同一時刻的位移均增加，兩者頭、末端的速度均有增大的趨勢，末端速度的波動幅度和頻率均有所下降.

(5) 主液滴與衛星液滴的形態更加趨于扁平，主液滴當量直徑減小，衛星液滴當量直徑增大.

致謝本實驗所用玻璃微噴嘴在加工過程中得到了南京理工大學機械工程學院微系統研究室朱麗老師的大力幫助，在此表示感謝.