·374 工程科学学报，第40卷，第3期 and stability for electrohydrodynamic jet 3D printing,and the method offers a feasible solution for simplification and easy operation of actual 3D printing. KEY WORDS electrohydrodynamic jet 3D printing:Taylor cone;cone-jet;micro-and nano-scale additive manufacturing:process optimization 微纳增材制造（亦称为微纳尺度3D打印）是近 与其他微滴喷射自由成形工艺类似，影响电喷 年来出现的一种新型微纳加工技术，它基于增材原 印沉积3D打印图形精度（分辨率）和质量（如线宽 理制造微纳结构或者功能性产品（具有微纳特征结 波动度、表面粗糙度、结合性能等)的因素众 构)，微纳增材制造涵盖的尺度包括微尺度、亚微尺 多B-0,主要包括：打印材料性能（表面张力、黏度、 度、纳尺度、原子尺度、微/纳复合多尺度、宏/微跨尺 电导率、密度等)；基底/基材/基板或者衬底性能 度等.与现有微纳制造技术相比，微纳尺度3D打印 (润湿性、导电性、粗糙度等)：工艺参数（电压、打印 具有成本低、结构简单、可用材料种类多、无需掩模 频率、喷头与基底距离、流速、工作台移动速度等)： 或模具、直接成形的优点，尤其是在复杂三维微纳结 环境参数（温度、湿度等）.而且这些参数和因素互 构、高深宽比微纳结构、（多材料）复合材料微纳结 相影响、相互耦合，对于喷印过程中泰勒锥的形成、 构、宏/微复合结构以及嵌入异质结构制造方面具有 锥射流的稳定性以及喷印沉积效果有着非常重要的 非常突出的潜能和优势.目前己经开发的微纳增材 影响，进而最终影响到打印图形的精度和质量.为 制造工艺和方法多达几十种，代表性的工艺主要包 了进一步提高电流体动力喷射3D打印图形的精度 括：微立体光刻、双光子聚合激光直写、电流体动力 和质量，实现高分辨率、高质量图形的打印，必须揭 喷射3D打印（电喷印）、微激光烧结（熔化）、气溶胶 示出各工艺要素对打印图形精度和质量的影响、规 喷射打印、聚焦电子束诱导沉积、电化学沉积(elec- 律和作用机制，尤其是对于具体的电喷印3D打印 trochemical fabrication,EFAB)、激光化学气相沉积 系统，还需要优化出最适合的打印工艺窗口. (L-CVD)、聚焦离子束直写、蘸笔纳米光刻(dip- 理想泰勒锥、稳定锥射流是实现电流体动力喷 pen nanolithography)、复合3D打印等.微纳增材制 射3D打印的基础和前提0.精准控制泰勒锥的形 造目前己经被应用于微纳机电系统、3D结构电子、 成、形状、尺寸以及确保锥射流稳定性是提高电流体 生物医疗、组织器官、新材料、新能源、微流控器件、 动力喷射3D打印喷印图案精度和质量的关键和基 微纳光学器件、微纳传感器、柔性电子、软体机器人 础.尤其在电流体动力喷射3D打印实际工作过程 等诸多领域，显示出非常广阔的工业化应用前 中，最直接和最有效的方法就是根据电荷耦合器件 景 (CCD)所观察到的泰勒锥形貌，相应的调整打印工 尽管国际上己经提出的微纳尺度3D打印工艺 艺参数，以期获得理想泰勒锥以及稳定的锥射流模 多达几十种，但与其他工艺相比，电流体动力喷射 式，从而进一步实现对打印图形的精度和质量的控 3D打印在精度、材料、成本、效率等方面已经显示出 制以及复杂三维结构的可控制造.因此，通过调整 更加突出的优势和更加广阔的工程应用前景.电流 打印工艺参数，间接控制泰勒锥形状和尺寸以及射 体动力喷射打印(electrohydrodynamic jet printing,E- 流的稳定性，进而最终实现对于打印图形精度和质 jet printing)亦称为电喷印，是由Park和Rogers等提 量的有效控制，为简化和便于电流体动力喷射3D 出和发展的一种基于电流体动力学(electro-ydro 打印实际操作提供了一种行之有效的方法.而且研 dynamics,简称EHD)的微液滴喷射沉积成形制造技 究并揭示各打印工艺参数对于泰勒锥形状和尺寸、 术.与传统喷印技术（热喷印、压电喷印等）、气动式 打印图形精度和质量的影响及内在规律对于进一步 喷墨打印等采用“推”的方式不同，其采用电场驱动 优化和改进电流体动力喷射3D打印工艺也具有非 以“拉”的方式从液锥（泰勒锥）顶端产生极细的射 常重要的意义.但是，目前国内外在该方面所公开 流，喷射出远远小于喷嘴尺寸的微液滴沉积在基底 的研究成果较少.Park等通过使用高速摄像机 上.因此，电喷印具有：分辨率高、兼容性好（可打印 观测泰勒锥锥长和射流长度，揭示了打印图形的线 材料广泛，包括绝缘或导电聚合物、有机及无机材 宽与锥长和射流长度的关系及规律，发现随着喷嘴 料、各种溶液、悬浊液以及高黏度材料等)、结构简 直径增大和流量减小，获得稳定锥射流的初始电场 单、成本低等优点，目前己经被看作最具有应用前景 减小，导致锥长和喷射长度增加；为了避免射流破 的微尺度3D打印技术之一- 碎，喷嘴与基底的距离应当小于锥长和喷射长度之工程科学学报，第 40 卷，第 3 期 and stability for electrohydrodynamic jet 3D printing，and the method offers a feasible solution for simplification and easy operation of actual 3D printing． KEY WOＲDS electrohydrodynamic jet 3D printing; Taylor cone; cone-jet; micro- and nano-scale additive manufacturing; process optimization 微纳增材制造( 亦称为微纳尺度 3D 打印) 是近 年来出现的一种新型微纳加工技术，它基于增材原 理制造微纳结构或者功能性产品( 具有微纳特征结 构) ，微纳增材制造涵盖的尺度包括微尺度、亚微尺 度、纳尺度、原子尺度、微/纳复合多尺度、宏/微跨尺 度等． 与现有微纳制造技术相比，微纳尺度 3D 打印 具有成本低、结构简单、可用材料种类多、无需掩模 或模具、直接成形的优点，尤其是在复杂三维微纳结 构、高深宽比微纳结构、( 多材料) 复合材料微纳结 构、宏/微复合结构以及嵌入异质结构制造方面具有 非常突出的潜能和优势． 目前已经开发的微纳增材 制造工艺和方法多达几十种，代表性的工艺主要包 括: 微立体光刻、双光子聚合激光直写、电流体动力 喷射 3D 打印( 电喷印) 、微激光烧结( 熔化) 、气溶胶 喷射打印、聚焦电子束诱导沉积、电化学沉积( elec￾trochemical fabrication，EFAB) 、激光化学气相沉积 ( L--CVD) 、聚焦离子束直写、蘸笔纳米光刻 ( dip￾pen nanolithography) 、复合 3D 打印等． 微纳增材制 造目前已经被应用于微纳机电系统、3D 结构电子、 生物医疗、组织器官、新材料、新能源、微流控器件、 微纳光学器件、微纳传感器、柔性电子、软体机器人 等 诸 多 领 域，显示出非常广阔的工业化应用前 景［1--2］． 尽管国际上已经提出的微纳尺度 3D 打印工艺 多达几十种，但与其他工艺相比，电流体动力喷射 3D 打印在精度、材料、成本、效率等方面已经显示出 更加突出的优势和更加广阔的工程应用前景． 电流 体动力喷射打印( electrohydrodynamic jet printing，E￾jet printing) 亦称为电喷印，是由 Park 和 Ｒogers 等提 出和发展的一种基于电流体动力学( electro-hydro dynamics，简称 EHD) 的微液滴喷射沉积成形制造技 术． 与传统喷印技术( 热喷印、压电喷印等) 、气动式 喷墨打印等采用“推”的方式不同，其采用电场驱动 以“拉”的方式从液锥( 泰勒锥) 顶端产生极细的射 流，喷射出远远小于喷嘴尺寸的微液滴沉积在基底 上． 因此，电喷印具有: 分辨率高、兼容性好( 可打印 材料广泛，包括绝缘或导电聚合物、有机及无机材 料、各种溶液、悬浊液以及高黏度材料等) 、结构简 单、成本低等优点，目前已经被看作最具有应用前景 的微尺度 3D 打印技术之一［1--6］． 与其他微滴喷射自由成形工艺类似，影响电喷 印沉积 3D 打印图形精度( 分辨率) 和质量( 如线宽 波动 度、表 面 粗 糙 度、结 合 性 能 等) 的 因 素 众 多［3--10］，主要包括: 打印材料性能( 表面张力、黏度、 电导率、密度等) ; 基底/基材/基板或者衬底性能 ( 润湿性、导电性、粗糙度等) ; 工艺参数( 电压、打印 频率、喷头与基底距离、流速、工作台移动速度等) ; 环境参数( 温度、湿度等) ． 而且这些参数和因素互 相影响、相互耦合，对于喷印过程中泰勒锥的形成、 锥射流的稳定性以及喷印沉积效果有着非常重要的 影响，进而最终影响到打印图形的精度和质量． 为 了进一步提高电流体动力喷射 3D 打印图形的精度 和质量，实现高分辨率、高质量图形的打印，必须揭 示出各工艺要素对打印图形精度和质量的影响、规 律和作用机制，尤其是对于具体的电喷印 3D 打印 系统，还需要优化出最适合的打印工艺窗口． 理想泰勒锥、稳定锥射流是实现电流体动力喷 射 3D 打印的基础和前提［11］． 精准控制泰勒锥的形 成、形状、尺寸以及确保锥射流稳定性是提高电流体 动力喷射 3D 打印喷印图案精度和质量的关键和基 础． 尤其在电流体动力喷射 3D 打印实际工作过程 中，最直接和最有效的方法就是根据电荷耦合器件 ( CCD) 所观察到的泰勒锥形貌，相应的调整打印工 艺参数，以期获得理想泰勒锥以及稳定的锥射流模 式，从而进一步实现对打印图形的精度和质量的控 制以及复杂三维结构的可控制造． 因此，通过调整 打印工艺参数，间接控制泰勒锥形状和尺寸以及射 流的稳定性，进而最终实现对于打印图形精度和质 量的有效控制，为简化和便于电流体动力喷射 3D 打印实际操作提供了一种行之有效的方法． 而且研 究并揭示各打印工艺参数对于泰勒锥形状和尺寸、 打印图形精度和质量的影响及内在规律对于进一步 优化和改进电流体动力喷射 3D 打印工艺也具有非 常重要的意义． 但是，目前国内外在该方面所公开 的研究成果较少． Park 等［12］通过使用高速摄像机 观测泰勒锥锥长和射流长度，揭示了打印图形的线 宽与锥长和射流长度的关系及规律，发现随着喷嘴 直径增大和流量减小，获得稳定锥射流的初始电场 减小，导致锥长和喷射长度增加; 为了避免射流破 碎，喷嘴与基底的距离应当小于锥长和喷射长度之 · 473 ·