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電流體噴印過程中,墨水噴射沉積到基底表面依靠電場力驅動,電場的強度及穩定性對打印效果起到決定作用,絕緣材料由于其介電特性會削弱電場,在電流體噴印電場作用時產生的絕緣表面電荷積累及液滴殘余電荷會進一步削弱電場并造成電場畸變,這些嚴重影響電流體噴印的穩定性。因此,如何增強電場并消除電場畸變是提高打印性能的關鍵。

等離子體處理輔助電流體噴印工藝原理

實驗發現,在原始絕緣表面進行電流體噴印時,墨水噴射極不穩定,沉積呈炸裂或毛刺狀,而使用等離子體處理絕緣表面后,在同樣的打印條件下,墨水能夠實現穩定噴射沉積,打印線條均勻無毛刺。

圖1-1 (a)等離子體處理前后PI表面電流體噴印時噴嘴狀態;(b)處理前后PI表面打印圖案對 比;(c)處理前后陶瓷表面打印圖案對比。 

圖1-1(a)(b)展示了等離子體表面處理前后同樣打印參數下PI表面打印銀漿時的噴嘴噴射狀態及打印雪花圖案的圖像對比,圖1-1(c)是等離子體表面處理前后同樣打印參數下陶瓷表面打印的銀漿花朵圖案對比。

圖2-1 等離子體處理輔助電流體噴印工藝的原理示意圖:(a)處理前;(b)處理中;(c)處理后。 

根據上述,增強電場并消除電場畸變是提高打印性能的關鍵,為直觀展示等離子體表面處理在提高打印性能過程中的作用,繪制了原理示意圖如圖2-1所示。圖2-1(a)是絕緣表面原始狀態下進行電流體噴印的示意圖,噴嘴施加直流電壓驅動墨水噴射,此時噴嘴前端會產生一定程度的尖端放電,空氣中電荷在電場驅動下到達絕緣表面,而沉積液滴中同樣攜帶大量電荷,原始絕緣表面電導率極低,且表面電荷陷阱中深陷阱較多,而淺陷阱較少,這導致表面電荷極易被電荷陷阱捕獲且難以耗散,造成絕緣表面電荷的大量不均勻聚集,這些電荷產生的電場與噴印驅動電場相排斥導致電場強度減弱甚至產生畸變,嚴重影響打印性能;圖2-1(b)是等離子體處理絕緣表面的示意圖,反應離子刻蝕機的腔體中激發氧等離子體,活性反應成分在偏壓下轟擊絕緣表面,活性成分與絕緣表面發生化學反應,等離子體刻蝕絕緣表面改變微觀形貌,并且向絕緣表面修飾大量活性基團,導致親水性的提高,這個過程中絕緣表面電導率大幅提高,表面深電荷陷阱減少,淺電荷陷阱增多,對電荷的束縛能力下降;圖2-1(c)是等離子體處理后絕緣表面電流體噴印的示意圖,噴嘴尖端放電產生的電荷到達絕緣表面時很難被陷阱束縛,而沉積液滴中攜帶的電荷也因為表面電導率的提高而迅速導走,并且由于電導率的提升及活性基團的注入,電流體噴印電場中絕緣表面極化效果加強從而增強電場,最終電流體噴印的性能大幅提高。

綜上所述：等離子體處理絕緣表面改變表面微觀形貌并修飾了大量含氧官能團,導致表面親水性的提高;同時等離子體表面改性還使得表面電導率大幅提升,深電荷陷阱減少,淺電荷陷阱增多,絕緣表面對電荷的束縛能力下降,抑制了絕緣表面電荷積累,使得沉積液滴所殘余電荷迅速耗散;電導率的提升及含氧官能團的注入加強了表面極化,從而穩定增強空間電場,最終大幅提升電流體噴印的穩定性。