鞘氣輔助空氣動力學透鏡聚焦的干法氣溶膠噴印實驗研究

舒霞云 王策 常雪峰 鐘智東 唐毅泉

摘要：針對氣溶膠噴印技術中油墨存儲條件苛刻和溶劑、表面活性劑去除等問題，提出了一種鞘氣輔助空氣動力學透鏡聚焦的納米粉末氣溶膠噴印裝置，建立了氣溶膠噴印系統，探究了噴印速度、鞘氣/載氣體積流量比值對系統噴印效率、線條形貌的影響。通過激光燒結實驗及電化學性能測試實驗，分析了激光處理對氣溶膠噴印線條電阻率、微觀形貌、氧化程度的影響。實驗結果表明：當噴印速度為19.20 mm/min、鞘氣/載氣體積流量比值為2.65時，獲得了最小寬度為56.52 μm的噴印線條；激光處理后，噴印線條中的納米銀粉末顆粒融化團聚并形成絲狀物互相黏結，顯著降低噴印線條的電阻率。

關鍵詞：干法氣溶膠噴印；空氣動力學透鏡；鞘氣輔助聚焦；噴印線條形貌；激光燒結

中圖分類號：TS851

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.01.015

Experimental Study of Dry Aerosol Jet Printing with Sheath Gas-assisted

Aerodynamics Lens Focusing

SHU Xiayun1，2，3 WANG Ce1，2，3 CHANG Xuefeng2，4 ZHONG Zhidong1，2，3 TANG Yiquan1，2，3

1.School of Mechanical & Automation Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen，

Fujian，361024

2.Key Laboratory of Precision Drive and Transmission of Fujian Province University，Xiamen，

Fujian，361024

3.Xiamen Key Laboratory of Intelligent Manufacturing Equipment，Xiamen，Fujian，361024

4.College of Marine Equipment and Mechanical Engineering，Jimei University，Xiamen，Fujian，361021

Abstract： To overcome the most important concerns， such as harsh storage conditions and the removal of solvents and surfactants in aerosol jet printing（AJP） technology， a nano-powder aerosol printing device with sheath gas assisted aerodynamic lens focusing was proposed， and the aerosol jet printing system was established， and the effects of printing speed， volume flow ratio of sheath gas and carrier gas on printing efficiency and line morphology were explored. The effects of laser treatment on the resistivity， microscopic morphology and oxidation degree of aerosol printing lines were analyzed by laser sintering experiments and electrochemical performance test experiments.Experimental results show that when the printing speed is 19.20 mm/min and the volume flow ratio of sheath gas to carrier gas is 2.65， the minimum width of the printing line is 56.52 μm. After laser sintering， the nano silver powder particles in the printing lines melt and agglomerate and form filaments to bond with each other， which significantly reduces the resistivity of the aerosol printing lines.

Key words： dry aerosol jet printing; aerodynamics lens； sheath gas-assisted focusing; jet printing line morphology; laser sintering

0 引言

氣溶膠噴印技術是一種直寫式增材制造技術，具有印刷圖形精度高、適用材料廣泛［1-3］等優點。目前氣溶膠噴印技術主要使用油墨作為噴印材料進行噴射印刷［4-12］，然而油墨存在存儲條件苛刻且使用時需要回收溶劑和去除表面活性劑等問題。為解決上述問題，本文提出一種干法氣溶膠噴印技術，該技術使用的材料為金屬粉末或金屬顆粒，不易污染環境，且可以添加聚焦噴印裝置以實現高精度微結構圖形噴射印刷。噴印裝置中的空氣動力學透鏡通過使用不同厚度、內徑的透鏡孔，利用收縮擴張流場聚焦理論，對不同粒徑范圍的粉末顆粒都具有較好的聚焦效果［13-15］。

為進一步提高裝置的聚焦效果，本文在空氣動力學透鏡聚焦的基礎上再引入鞘氣聚焦，形成了一種鞘氣輔助空氣動力學透鏡聚焦的干法氣溶膠噴印方法，以期在提高噴印效率和粉末利用率的同時獲得更高的噴印圖案精度和分辨率。

1 鞘氣輔助空氣動力學透鏡聚焦的干法氣溶膠噴印系統

1.1 噴印裝置

空氣動力學透鏡由限壓孔、緩沖腔、聚焦透鏡和噴嘴等部分組成，結構示意圖見圖1a。為了提高氣溶膠噴印的聚焦效果，在空氣動力學透鏡的基礎上輔以鞘氣進行聚焦，在空氣動力學透鏡聚焦完成、氣溶膠流束發散時再通過鞘氣流對噴嘴出口端的氣溶膠流束進行二次聚焦，重新使發散的氣溶膠流束匯聚于中心軸線附近，如圖1b所示。該裝置的零部件及裝配實物如圖1c、圖1d所示，主要由外殼（上）、限壓孔、第一級透鏡、第二級透鏡、第三級透鏡、噴嘴、保護件、外殼（下）組成。

1.2 噴印系統

本文以納米銀粉末顆粒為噴印材料，以設計的聚焦噴印裝置為核心的干法氣溶膠噴印系統如圖2所示。該噴印系統主要由氣體輸入裝置、氣體輸送裝置、氣溶膠發生裝置、噴射打印裝置、基底加熱裝置和運動控制裝置等六個部分組成。

2 鞘氣輔助空氣動力學透鏡聚焦的干法氣溶膠噴印實驗

本文通過H/W（線條高度/線條寬度）比值與聚焦比RF（線條寬度W/噴嘴直徑D）表征氣溶膠噴印線條形貌與裝置聚焦效率。H/W比值越大，表明在相同高度下，氣溶膠噴印線條有更小的線寬；聚焦比RF越小，表明在噴嘴直徑一定的情況下，氣溶膠噴印線條線寬更小，聚焦效果更好。

2.1 噴印線條形貌測量方法

在干法氣溶膠噴印過程中，易出現粉末顆粒反彈堆積導致噴印線條邊緣界限模糊的問題，且在噴射打印時需對基底材料PI（polyimide）膜進行加熱，PI膜存在受熱膨脹導致噴射表面平整度下降、測量誤差增大的問題，因此需選取合適的形貌測量方法進行科學精確測量。SEBASTIAN等［16］提出了以顆粒密度大于50%的區域作為氣溶膠噴印線條有效測量區域，進而測量區域邊界獲取噴印線條寬度；吳常健［17］、劉波［18］采用光學表面輪廓儀ZYGO對氣溶膠噴印線條截面輪廓進行測量，截取氣溶膠噴印線條多組等距截面，在獲取界面輪廓數據后求取平均截面輪廓Y，依據平均截面輪廓Y求取氣溶膠噴印線條線寬、線高等形貌數據。本文利用光學表面輪廓儀ZYGO對氣溶膠噴印線條取5組等距橫截面輪廓，再取其平均值，獲得氣溶膠噴印線條的平均橫截面輪廓，如圖3所示。

2.2 噴印參數實驗

2.2.1 噴印速度

為探究噴印系統噴印效率及不同噴印速度對氣溶膠噴印線條形貌影響，利用構建的干法氣溶膠噴印系統進行噴印速度實驗。為了控制實驗因素，設定噴印層數為8、載氣體積流量為200 mL/min、鞘氣體積流量為500 mL/min、噴嘴到基底距離為1 mm、基底溫度為300 ℃，噴印速度v依次為15.36，17.28，19.20，21.12，23.04，24.96 mm/min，圖4所示為不同噴印速度下的線條形貌。

由圖4可知，氣溶膠噴印線條高度H隨著噴印速度的增大而逐漸減小。如圖4a所示，當噴印速度為15.36 mm/min時，噴印線條附近有較多粉末顆粒堆積，粉末顆粒易于滑落、反彈到噴印線條附近而造成“過噴”現象。而當噴印速度超過21.12 mm/min時，噴印出的線條逐漸無法成線，且在噴印過程中出現了氣溶膠噴印線條部分斷裂、過度聚集的現象，如圖4e、圖4f所示。因此，為兼顧噴印效率與氣溶膠噴印線條形貌質量，后續實驗的噴印速度設為19.20 mm/min。

2.2.2 鞘氣/載氣體積流量比值

為探究鞘氣/載氣體積流量比（QR）對氣溶膠噴印線條形貌影響，設定噴印層數為8、基底移動速度為19.20 mm/min、噴嘴到基底距離為1 mm、沉積溫度為300 ℃，鞘氣/載氣體積流量比值依次為0、0.75、1.50、2.25、3.00、3.75，噴印結果如圖5所示。

噴印線寬W為86.09～113.91 μm、線高H為5.29～6.74 μm，不同鞘氣/載氣體積流量比QR下噴印線條形貌變化如圖6所示。

隨著鞘氣/載氣體積流量比的增大，氣溶膠噴印線條寬度W、聚焦比RF先減小后增大且當比值為2.25時有較好的聚焦效果，線條高度H無明顯變化；當QR超過2.25后，氣溶膠噴印線條的實際寬度W并未減小反而增大，即粉末顆粒在氣溶膠噴印線條上堆積時，顆粒與顆粒之間黏附力不足導致顆粒滑落、反彈，造成噴印線條實際寬度W并未隨著鞘氣/載氣體積流量比的增大而一直減小。

為進一步確定最佳鞘氣/載氣體積流量比，在QR為1.5 ～ 3.0的比值范圍內取值2.35、2.50、2.65、2.80、2.95進行后續實驗研究。圖7所示為不同鞘氣/載氣體積流量比的噴印線條形貌。

噴印線條的線寬W和線高H分別為56.52～84.35 μm、5.6～9.47 μm，寬度和高度隨鞘氣/載氣體積流量比的變化如圖8所示。當鞘氣/載氣流量比值為2.65時，獲得了最小線寬W為56.52 μm，約占噴嘴直徑的28.26%。

3 噴印線條激光燒結及電化學性能測試

3.1 激光燒結裝置及電化學性能測試原理

采用理歐光電的LE-LS-RGB-TFCBG系列高性能RGB紅、綠、藍三色半導體激光器進行實驗，激光器主要由激光頭、電源、控制面板三部分組成，如圖9a所示。柔性薄膜基底選擇PI膜，相較于紅光、綠光，選用相同功率下能量更高、波長為445 nm的激光藍光作為激光燒結光源；燒結激光與平面保持45°的夾角，以避免因激光反射（返回光強不超過出射光強的5%）導致的強光信號原光路返回激光器內部，造成激光器光致損傷。激光燒結處理示意圖見圖9b。

對氣溶膠噴印線條進行激光燒結處理，以提高其導電性能，本文采用氣溶膠噴印線條的電阻率來比較導電性能，電阻率計算公式為

式中，ρ為氣溶膠噴印線條的電阻率；R為氣溶膠噴印線條的電阻值；S為平均橫截面積；L為氣溶膠噴印線條長度。

在室溫條件下對氣溶膠噴印線條電阻率進行測量，同時利用Origin軟件計算平均橫截面積值S。

在實驗過程中，使用納米銀粉末顆粒直接噴涂氣溶膠噴印線條，因此噴印線條主要組成成分為單質Ag。然而經過高溫處理，噴印線條中含有一定的銀氧化物Ag2O，它對氣溶膠噴印線條的導電性能有一定的影響。本文通過Sigma 500掃描電子顯微鏡的X射線能譜儀對氣溶膠噴印線條的組成元素Ag、O進行分析，銀氧化物Ag2O中Ag原子和O原子個數比值為2，因此通過O元素的原子百分比計算銀氧化物中Ag的含量。氧化程度計算公式為

式中，Po為氧化程度；PO為氧原子百分比；PAg為銀原子百分比。

3.2 激光燒結實驗

3.2.1 燒結功率預實驗

為避免出現激光功率過高而造成柔性薄膜基底燒毀的現象，對柔性薄膜基底進行激光燒結預實驗研究，探究燒結處理功率對柔性薄膜基底的影響。為了控制實驗因素，設置激光光斑相對氣溶膠噴印線條移動速度為48 mm/min，燒結處理功率P分別為0.60，0.65，0.70，0.75 mW，圖10所示為激光燒結后柔性薄膜基底形貌。

隨著激光燒結功率的增大，柔性薄膜膨脹高度也增大且膨脹更加均勻，直至柔性薄膜燒毀。為有效提高氣溶膠噴印線條中納米銀粉末顆粒與顆粒、顆粒與基底之間的黏結程度，增強導電性能，本文選擇0.7 mW作為燒結處理功率。

3.2.2 氣溶膠噴印線條導電性能測試

基于激光燒結系統對氣溶膠噴印線條進行激光燒結處理，探究激光燒結前后氣溶膠噴印線條導電性能變化。氣溶膠噴印線條導電性能變化主要通過氣溶膠噴印線條的電阻值、電阻率進行比較，利用萬用表對氣溶膠噴印線條進行電阻值測量，記為R；通過游標卡尺測量氣溶膠噴印線條長度，記為L；基于ZYGO表面輪廓儀對氣溶膠噴印線條平均橫截面輪廓進行測量，再利用Origin多邊形面積功能計算平均橫截面輪廓面積，記為S，噴印線條長度、電阻值、橫截面輪廓面積如表1所示。

將氣溶膠噴印線條的線條長度d、橫截面輪廓面積S、燒結前后電阻值Rb、Ra代入電阻率計算公式（式（1）），計算激光燒結前后氣溶膠噴印線條的電阻率（計算結果保留一位小數），得到氣溶膠噴印線條電阻率、電阻率變化如圖11所示。

由圖11所知，氣溶膠噴印線條經過激光燒結處理后，電阻率顯著減小、導電性能增強，同時氣溶膠噴印線條激光燒結前的電阻率越大，則激光燒結處理后的電阻率減小程度越大。

3.3 噴印線條微觀形貌及氧化分析

3.3.1 激光燒結處理后的噴印線條微觀形貌分析

利用Sigma 500掃描電子顯微鏡對已激光燒結處理后的氣溶膠噴印線條進行掃描，得到氣溶膠噴印線條如圖12所示。

將未處理的氣溶膠噴印線條與激光燒結處理后的氣溶膠噴印線條進行對比，激光燒結處理前后的氣溶膠噴印線條微觀形貌如圖13所示。

由圖13可知，未處理的氣溶膠噴印線條納米銀粉末顆粒之間孔隙較多、粉末顆粒間黏結程度低，而激光燒結處理后的氣溶膠噴印線條納米銀粉末顆粒出現了融化團聚、粉末顆粒之間黏結、孔隙減小的現象。通過掃描電子顯微鏡將其進行放大處理，放大圖見圖14a。為探明絲狀物組成成分，利用X射線能譜儀進行局部放大點掃描，基于點掃描結果繪制元素能譜分析圖，見圖14b～圖14d。

對絲狀物進行元素組成分析，元素能譜分析結果表明，絲狀物主要組成元素為Ag，即激光燒結處理后的氣溶膠噴印線條中，粒徑較小的納米銀團聚體融化，并與粒徑較大的團聚體黏結，提高了噴印線條的導電性能。

3.3.2 激光燒結處理后的噴印線條氧化分析

分析各組氣溶膠噴印線條的Ag、O元素組成，代入式（2），計算各組氣溶膠噴印線條氧化程度的大小（結果保留兩位小數），結果如表2所示。

將激光燒結處理后的氣溶膠噴印線條電阻率數據與對應的氣溶膠噴印線條氧化程度百分比進行對比，結果如圖15所示。

氣溶膠噴印線條的電阻率與氧化程度具有相關性。氣溶膠噴印線條的整體電阻率隨著氧化程度的變化而變化，然而實驗編號為e的氣溶膠噴印線條氧化程度與電阻率的關系與整體的變化趨勢有所差異，造成這種現象的主要原因可能與粉末顆粒之間的孔隙較多、黏結不緊密有關。

4 結論

本文以鞘氣輔助空氣動力學透鏡作為聚焦噴印裝置，建立了干法氣溶膠噴印系統，并進行了不同噴印速度和鞘氣/載氣體積流量比的噴印實驗，同時利用激光燒結對噴印線條后處理，研究噴印線條導電性能、微觀形貌和氧化程度變化及相互關系。實驗結果表明：

（1）添加鞘氣有利于提高干法氣溶膠噴印系統的噴印精度。氣溶膠噴印線條的線寬隨著鞘氣/載氣體積流量比值的增大先減小后增大，線條高度未有明顯變化，且當鞘氣/載氣體積流量比值為2.65時，獲得了約占噴嘴直徑28.26%的線寬為56.52 μm的噴印線條。

（2）經過激光燒結處理后的噴印線條導電性能增強。電阻率變化范圍由165.9～1223.4 μΩ·mm減小到108.2～347.2 μΩ·mm；同時激光燒結處理后的噴印線條微觀形貌發生改變，與未處理的噴印線條相比，激光燒結處理后的粉末顆粒在高溫下融化團聚、孔隙減小，同時較小的團聚體與較大的團聚體黏結，提高了噴印線條的導電性能。

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