張彥振，李德格，王凱新，楊國棟，武鑫磊，胡國放，劉永紅

（中國石油大學(xué)（華東）機電工程學(xué)院，山東青島266580 ）

自19 世紀(jì)以來，科研人員開始對液滴的形成機理和工業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了深入研究[1]。早在1833 年，Savart 首先提出讓液體流經(jīng)噴嘴形成液流并產(chǎn)生相同尺寸液滴的方法，還明確指出了液滴噴射是液體在外力的驅(qū)動下被迫以液滴的形式從噴嘴中噴射出的技術(shù)[2]。1878 年，Rayleigh 等[3]詳細(xì)闡述了自由液柱分裂成液滴的過程，并對此進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)學(xué)理論分析，這被稱為液滴斷裂的Rayleigh-Plateau不穩(wěn)定性。1951 年，Elmqvist[4]根據(jù)液滴噴射理論發(fā)明了噴墨打印機，使液滴噴射技術(shù)成功地從理論研究階段走向了工程應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)開發(fā)出基于各種技術(shù)的噴墨打印形式[5-6]，應(yīng)用最廣泛的主要有熱泡式和壓電式噴墨打印技術(shù)，并且通過打印功能性墨水，噴墨打印技術(shù)也從紙面走向精密制造[7]、防偽識別[8]、柔性電子皮膚[9]乃至生命科學(xué)領(lǐng)域[10]，直徑在幾到幾百微米范圍內(nèi)的微小液滴在諸多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越顯著的作用。

在眾多的噴墨打印技術(shù)中，壓電陶瓷驅(qū)動的可按需噴墨打印技術(shù)以其響應(yīng)速度快、易于操作、靈活性好及可按需噴射等優(yōu)勢而受到青睞[11]。目前，壓電按需噴射技術(shù)主要有擠壓型、彎曲型、推拉型、剪切型4 種工作方式，如圖1 所示[12]。當(dāng)給壓電驅(qū)動元件施加一個驅(qū)動電信號時，壓電驅(qū)動元件會產(chǎn)生變形，并導(dǎo)致儲液腔內(nèi)產(chǎn)生壓力波動，進(jìn)而傳遞給內(nèi)部待打印液體介質(zhì)，使得儲液腔中的液體克服表面張力和粘性力的阻礙，從噴嘴出口處以一定的速度噴出，形成單個液滴，并運動至目標(biāo)位置。

圖1 壓電式按需噴射技術(shù)分類

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者和公司開發(fā)了多種利用壓電陶瓷驅(qū)動的液滴按需噴射成形系統(tǒng)，并對其工作機理進(jìn)行了深入研究[13-15]。但是還存在很多問題，包括打印精度難以進(jìn)一步提升；結(jié)構(gòu)不靈活，不能滿足某些特定的試驗要求；打印頻率不高，致使打印的效率較低；噴頭的成本較高、價格比較昂貴等。本文提出一種基于擠壓管式壓電陶瓷驅(qū)動的按需噴射噴頭制作工藝，制作出符合要求的按需噴射裝置，通過試驗研究噴頭工作狀態(tài)，分析噴頭工作機理，從而達(dá)到噴射液滴大小和噴射頻率在較大范圍內(nèi)可調(diào)的效果。

1 噴頭制作工藝

1.1 尖錐形噴嘴制作

制備壓電噴頭的第一步就是制作微細(xì)噴嘴，本研究利用易于獲得的硼硅毛細(xì)玻璃管進(jìn)行制作。針對不同的應(yīng)用場景，共開發(fā)了尖錐形噴嘴、平面形噴嘴和增強型尖錐噴嘴3 種不同的玻璃噴嘴制作工藝。

尖錐形噴嘴的制備需要用拉針儀對玻璃管進(jìn)行拉制，本研究所用硼硅玻璃管的外徑為2 mm、內(nèi)徑為1.8 mm，拉針儀是一種基于電阻絲加熱的重力型拉針儀。圖2 是該拉針儀的工作原理：將毛細(xì)玻璃管穿過加熱線圈，豎直裝夾在固定V 形卡頭和活動V 形卡頭之間，活動卡頭下端可以放置不同的砝碼塊來改變重量；加熱線圈通電發(fā)熱，均勻地對毛細(xì)玻璃管的中間部分進(jìn)行加熱，使毛細(xì)玻璃管的被加熱段受熱軟化，最后玻璃管在重力的作用下逐漸被拉長變細(xì)，直至玻璃纖維不能承受相應(yīng)的拉力而斷裂，從而形成具有一定錐度和小孔的錐形尖端。這樣通過改變拉針儀的通電電流和配重砝碼的重量，即可獲得不同尺寸的玻璃噴嘴（圖3），具有較好的幾何形貌，可直接與壓電陶瓷管粘合，應(yīng)用于噴頭的制作。

圖2 毛細(xì)玻璃管拉制過程示意

圖3 拉制的毛細(xì)玻璃噴嘴顯微照片

該類噴嘴的制作操作簡便、省時省力，能快速制備出大量符合要求的玻璃噴嘴，且成本低廉，但這種玻璃噴嘴尖端處的壁厚僅不足1 μm，易在操作過程中因輕微觸碰而損壞尖嘴部分，對外力不具備耐受性，因而在使用過程中要求較高。玻璃噴嘴完成拉制以后，將其與壓電陶瓷管用環(huán)氧樹脂粘合劑進(jìn)行粘合，靜置24 h 即可使用，制作的壓電陶瓷管驅(qū)動的壓電噴頭結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 噴頭結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 平面形噴頭制作

為了克服尖錐形玻璃噴嘴易碎的問題，進(jìn)一步開發(fā)制作了平面形毛細(xì)玻璃噴嘴，其技術(shù)流程大體如下：先將毛細(xì)玻璃管切割至合適的長度，一端用煅針儀通過火焰拋光的手段對毛細(xì)玻璃管進(jìn)行均勻加熱，當(dāng)毛細(xì)玻璃管的末端被加熱到一定程度時，端面會慢慢軟化收縮變圓，可直至玻璃管完全閉合，如圖5a 所示；然后將煅燒的玻璃管研磨至接近所需的出口尺寸，并用更細(xì)的氧化鋁拋光劑進(jìn)行拋光，直到獲得平坦而無劃痕的表面為止，加工得到實物見圖5b。通過上述加工方式，毛細(xì)玻璃管的原始內(nèi)徑和噴嘴出口通道之間會形成一個均勻、平滑的錐形過渡區(qū)域。本研究利用外徑2 mm、內(nèi)徑1.8 mm 的玻璃管成功制備了出口直徑在10～60 μm范圍內(nèi)的噴嘴，制得的噴嘴幾何形貌非常接近美國MicroFab 公司的產(chǎn)品。

圖5 火焰拋光后的毛細(xì)管端面及磨拋完成后的噴嘴端面

在平面形噴嘴的制作過程中，參數(shù)對液滴生成的質(zhì)量和效率有很大的影響。毛細(xì)玻璃管及其頸縮通道的內(nèi)孔應(yīng)光滑、同軸且對稱，最理想的情況是形成一個短的、均勻的錐形過渡段，這樣可使聲波能量得到有效集中，并且小尺度管道長度較短，沿程損耗較小。精細(xì)拋光的主要目的是在噴嘴孔與研磨面附近獲得鋒利、干凈的邊緣，因為該邊緣上的任何裂紋或碎屑都會造成不良液滴或不需要的衛(wèi)星液滴形成。此外，在研磨過程中如何保持玻璃管的位置穩(wěn)定并且軸心垂直于進(jìn)行磨拋的砂紙是一個關(guān)鍵問題，這種玻璃噴嘴制作方法的優(yōu)點是噴嘴強度較高，輕微的觸碰不會對其結(jié)構(gòu)造成損壞，使用起來比較安全穩(wěn)定；缺點是制作工藝較繁瑣，制作一個噴嘴花費的時間較長，且噴嘴出口較厚，不便于觀測噴嘴處的液滴噴射行為，這類情形仍需要尖錐型噴嘴進(jìn)行打印。

1.3 增強型尖錐噴嘴制作

綜合考慮上述兩種噴嘴的優(yōu)勢和短板，開發(fā)出結(jié)合兩者優(yōu)勢的增強型尖錐噴嘴。首先將玻璃管用尖錐形噴嘴制作方法進(jìn)行加熱拉伸，制備出比所需孔徑更大的噴嘴，在顯微鏡下觀察，將制備的噴嘴重新裝夾到拉針儀的活動卡頭上，然后將活動卡頭在豎直方向上固定，使噴嘴口位于加熱電阻絲的中間，給電阻絲通電發(fā)熱使其輕微煅燒噴嘴口，煅燒時慢慢旋轉(zhuǎn)毛細(xì)玻璃管使噴嘴口受熱均勻，這樣就可將噴嘴口的內(nèi)徑受熱收縮到所需直徑，見圖6。

圖6 增強型尖錐噴嘴顯微照片

這種噴嘴的優(yōu)點是強度比尖錐形噴嘴高不少，且相較于平面形噴嘴而言，其透明度高、便于觀察；缺點是制作流程較繁瑣、工藝過程較難控制，對制作工藝的要求更高。

1.4 尖端疏水處理

由于玻璃噴嘴尖端具有較好的親水性，在用水基介質(zhì)進(jìn)行噴射試驗時，被噴射的液滴易殘留在噴嘴外壁上，產(chǎn)生潤濕現(xiàn)象，從而形成掛流，阻礙正常噴射，如圖7 所示。掛流會對試驗結(jié)果造成較大的影響，所以需對玻璃噴嘴的尖端進(jìn)行疏水處理。

圖7 掛流現(xiàn)象

一般疏水處理有兩種方式[16]：第一種是增大表面接觸角，使材料表面的自由能降低，主要方法是在材料的表面涂覆低表面能的氟化物、烷氧基聚合物等，這些物質(zhì)內(nèi)部除了碳基以外，還具有許多低表面能的氟、硅等原子基團，能顯著降低材料表面的自由能，增大表面接觸角從而達(dá)到疏水效果[17]；第二種是改變材料表面的結(jié)構(gòu)形貌，在表面制備微納結(jié)構(gòu)，較大的表面粗糙度值能減小玻璃表面的自由能，使水滴與玻璃的接觸面積減小，從而達(dá)到疏水效果[18]。

對于尖錐形噴頭，由于端面較小，難以制備具有微納結(jié)構(gòu)的表面，所以選用氟硅烷的乙醇溶液來配制疏水劑。氟硅烷與玻璃表面接觸后，氟硅烷先水解生成硅氧烷，硅氧烷再與玻璃表面的羥基發(fā)生脫水反應(yīng)成醚鍵，醚鍵的表面極性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于羥基，最終-CF3基團覆蓋了玻璃表面，降低了玻璃的表面能，進(jìn)而增大了水滴與玻璃表面的接觸角，最終形成了疏水膜層。有效成分氟硅烷的用量一般為0.5%～5%，濃度過低時在玻璃面上涂覆時難以形成均勻的疏水膜層，濃度過高時在玻璃面上形成的疏水膜層易產(chǎn)生白色混濁而影響觀測。將配制好的氟硅烷乙醇溶液攪拌均勻，噴頭浸入溶液中1～2 min，在相對濕度為40%的室溫下干燥24 h，疏水表面即制作完成，處理好的噴頭噴射效果如圖8 所示。

圖8 尖錐形噴頭疏水處理后噴射效果

對于平面形玻璃噴嘴，可通過飛秒激光等手段在端面上構(gòu)造微納結(jié)構(gòu)，改變玻璃表面的粗糙度，結(jié)合表面粗糙化與氟硅烷處理后，玻璃表面粗糙度與疏水性得到進(jìn)一步提高，然后再進(jìn)行上述氟硅烷溶液處理，這樣疏水表面就制作完成。圖9 是疏水處理后的噴頭噴射效果，端面出口邊緣基本無水附著，可實現(xiàn)良好的打印效果。

圖9 平面形噴頭疏水處理后噴射效果

2 噴頭工作機理研究

為便于觀測，利用尖錐形壓電噴頭開展相關(guān)性能探究試驗。首先制備了不同長度的尖錐形玻璃噴嘴，然后與壓電陶瓷管粘合，粘合時令壓電陶瓷管位于玻璃管的不同位置用于探究壓力波傳遞對噴射的影響。

以2 號白油為打印介質(zhì)，首先探究所制作的噴頭在不同頻率、電壓下的工作效果，記錄在低電壓驅(qū)動下的穩(wěn)定工作頻率，包括5.87、17.5、20.96 kHz，工作效果見圖10。結(jié)果顯示，該噴頭可實現(xiàn)不同頻率的穩(wěn)定噴射。

圖10 噴頭在不同頻率下施加不同電壓的噴射效果

然后，通過多次測量兩個液滴之間的距離來計算液滴的平均噴射速度與平均直徑，得到不同頻率下驅(qū)動電壓對打印速度和液滴尺寸的影響，如圖11所示。結(jié)果顯示，當(dāng)驅(qū)動電壓增大時，液滴的噴射速度和尺寸大小也隨之增大，這是由于驅(qū)動電壓增大，壓電陶瓷管的體積變形就會增大，產(chǎn)生的壓力波也隨之增大，對液滴的加速作用越明顯，同時產(chǎn)生的液體的體積也會增大，然而驅(qū)動電壓過大會引起衛(wèi)星液滴的形成，從而影響精度。

圖11 不同頻率下噴嘴工作規(guī)律

最后，為了探究玻璃管通道長度對噴射打印效果的影響，把噴頭的后端截斷10 mm，記錄其在0～65 kHz 范圍內(nèi)能穩(wěn)定噴射的頻率和在該頻率下最小的工作電壓，如圖12 所示。結(jié)果顯示，玻璃管被截斷后，工作頻率整體變大。

圖12 截斷前后頻率與電壓的關(guān)系

考慮到壓電陶瓷在管道內(nèi)產(chǎn)生的聲波符合小振幅的假設(shè)前提，即其質(zhì)點速度遠(yuǎn)小于聲速、質(zhì)點位移遠(yuǎn)小于聲波波長、介質(zhì)的密度增量遠(yuǎn)小于其靜態(tài)密度的前提，可利用線性聲學(xué)解釋管道內(nèi)的聲波傳遞過程。同時，考慮到玻璃管的內(nèi)徑也遠(yuǎn)小于聲波的波長，因此管內(nèi)的聲波可視為平面波，根據(jù)線性聲學(xué)的一維波動方程理論，由于噴頭后端被截斷10 mm，其整體長度縮短，對應(yīng)的共振基頻f=c/4L 也隨之變大，相應(yīng)的高次諧振頻率也就升高，圖12 很好地展現(xiàn)了這一規(guī)律。

3 結(jié)論

本文提出一種易于制作的壓電陶瓷管驅(qū)動的微滴噴射裝置制備工藝，基于此技術(shù)制作出不同類型的噴頭，通過高速成像技術(shù)研究不同頻率、不同電壓和不同玻璃管通道長度對噴頭噴射2 號白油效果的影響，得到以下結(jié)論：

（1）提出3 種壓電噴頭制作工藝，所制備的噴頭成本低、工作頻率范圍寬，可在一定程度上替代進(jìn)口噴頭開展試驗研究和工業(yè)應(yīng)用。

（2）研究了不同頻率、不同電壓、不同玻璃管通道長度對噴射效果的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)驅(qū)動電壓增大時，液滴的噴射速度和尺寸大小隨之增大，噴頭后端變短時，噴頭的工作頻率變大，這遵循了線性聲學(xué)的一維波動方程。

（3）測得了噴頭能穩(wěn)定噴射的工作頻率和該頻率下的最小工作電壓，實現(xiàn)了在較大頻率范圍內(nèi)的穩(wěn)定、按需及低成本的噴射打印。