基于近场静电纺丝一步化工艺制备压电聚合物MEMS结构的装置及方法与流程

本发明属于微纳制造与增材制造领域，具体为一种基于近场静电纺丝一步化工艺制备压电聚合物mems结构的装置及方法。

背景技术

相较于传统的硅基微机电系统(mems,microelectromechanicalsystem)，基于高分子聚合物材料的mems结构具备优良的机械柔韧性、较低的材料与加工成本、以及快速的加工过程等诸多优点，在柔性电子器件领域具备广阔的应用前景。除却聚合物材料的典型优点，具备压电效应的聚合物材料可以被直接用作机电转换功能材料，近年来，基于压电聚合物材料加工的mems结构被广泛应用于触觉传感器、能量收集器、声电换能器以及惯性传感器等领域，具有十分重要的实用价值。目前，用于压电聚合物mems结构加工的技术手段主要有：光刻、微纳铸造、纳米压印、飞秒激光切割等。这些技术方法多为基于“减材”机理的加工手段，需要事先加工模板对结构尺寸进行定义(如光刻需要掩膜版)，与此同时，需要后续分离工艺对制造好的结构进行压电极化处理。整个加工过程复杂繁琐，大大增加了复杂度与成本。

技术实现要素：

为解决以上传统聚合物mems加工技术的不足，本发明提出一种基于近场静电纺丝一步化工艺制备压电聚合物mems结构的装置及方法，该发明结合近场静电纺丝过程中的强电场作用、静电拉伸作用以及其对纤维沉积位置的精确控制，同时完成纤维的在线压电极化与一致性重复堆叠，实现聚合物mems结构制备与压电功能化的一步化快速成形“增材”制造。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于近场静电纺丝一步化工艺制备压电聚合物mems结构的装置，包括注射装置、电源、可编程三轴移动平台、金属板和纤维收集器；

金属板固定于可编程三轴移动平台上，纤维收集器设置于金属板表面；

注射装置中装有前驱液，注射装置具有用于输出前驱液的纺丝针头；

电源的正极与纺丝针头连接，电源的负极与金属板连接；

纺丝针头设置于纤维收集器的上方，纺丝针头与金属板之间形成静电场；在静电力作用下，纺丝针头能够向纤维收集器表面喷射纺丝纤维，使纺丝纤维在纤维收集器表面沉积，纤维收集器上已沉积纺丝纤维部位的电阻下降并吸引后续的纺丝纤维沉积在已沉积纺丝纤维之上。

纺丝针头到纤维收集器的表面的距离，或到已沉积纤维的距离为0.5～3mm，充分利用静电纺丝纤维的稳定运动区域。

所述电源的工作电压为0.6～2kv，纺丝针头与纤维收集器之间形成的静电场能够使前驱液从纺丝针头喷射而出。

所述注射装置包括注射器和注射泵，注射泵与注射器连接，纺丝针头与注射器连接，前驱液装于注射泵中。

所述金属板接地。

所述纤维收集器采用打印纸。

基于近场静电纺丝一步化工艺制备压电聚合物mems结构的方法，采用上述装置进行，过程如下：

调控纺丝针头出口的流量，使前驱液在静电力作用下喷射形成纺丝纤维丝，形成的纺丝纤维为微纳纺丝纤维；

控制可编程三轴移动平台的移动，使前驱液在静电力作用下喷射形成的纺丝纤维进行一致性重复堆叠，形成压电聚合物mems结构。

调纺丝针头出口的流量为0.1～100ml/h。

可编程三轴移动平台在x-y平面内移动速度为10～100mm/s，在z轴方向的移动速度为0.1～100μm/s。

所述前驱液的制备过程如下：

将压电聚合物材料溶解于溶剂中，形成所述前驱液；前驱液中压电聚合物材料的质量百分数为5％～30％。

所述压电聚合物材料为聚偏氟乙烯、尼龙或偏氟乙烯—三氟乙烯共聚物；

当为聚偏氟乙烯时，溶剂采用质量比为1:1的丙酮与二甲基亚砜混合液；

当为尼龙时，溶剂采用质量比为3:1的甲酸与冰醋酸混合液；

当为偏氟乙烯—三氟乙烯共聚物时，溶剂采用纯二甲基甲酰胺。

本发明具有以下有益效果：

本发明的基于近场静电纺丝一步化工艺制备压电聚合物mems结构的装置将金属板固定于可编程三轴移动平台上，通过可编程三轴移动平台的移动能够带动金属板一起同步移动，纤维收集器设置于金属板表面，因此纤维收集器也能够随可编程三轴移动平台的移动而同步移动；注射装置中装有前驱液，注射装置具有用于输出前驱液的纺丝针头，将纺丝针头设置于纤维收集器的上方，电源的正极与纺丝针头连接，电源的负极与金属板连接，因此在纺丝针头与金属板之间能够形成静电场；逐步提高电源的电压，当静电场超过一定临界值时，纺丝针头内的前驱液体材料在静电力作用下喷射出纺丝纤维，基于以上强静电场与静电拉伸作用，实现对纺丝纤维的在线压电极化，喷射出的纺丝纤维沉积于纤维收集器表面；当近场静电纺丝纤维沉积在纤维收集器表面上后，纺丝纤维上的残余溶剂将浸润纤维收集器，使得已沉积的纺丝纤维之下的那部分纤维收集器电阻急剧下降，已沉积纺丝纤维上的残余电荷就能够通过该导电通道进行释放，因此已沉积纺丝纤维作为在线制造的新“接地单元”，吸引后续的纺丝纤维沉积在其之上，实现对纺丝纤维在空间第三维沉积位置的准确控制；通过控制可编程三轴移动平台的移动，喷射出的纺丝纤维在纤维收集器表面沉积形成压电聚合物mems结构，实现了mems结构的“增材”成形制造；综上，本发明的装置结合近场静电纺丝过程中的强电场作用、静电拉伸作用以及其对纺丝纤维沉积位置的精确控制，同时完成纺丝纤维的在线压电极化与一致性重复堆叠，实现聚合物mems结构制备与压电功能化的一步化快速成形制造。

由本发明基于近场静电纺丝一步化工艺制备压电聚合物mems结构的装置的上述有益效果可知，本发明基于近场静电纺丝一步化工艺制备压电聚合物mems结构的方法充分结合了近场静电纺丝过程的在线压电极化及其对纺丝纤维沉积位置的精确控制，制造技术简单、直接、快速，克服了传统制造工艺下聚合物mems结构制备与后续压电极化需要分离工艺的繁琐流程；本发明的方法能够方便地制造纳米尺度下的纤维结构，故而有望大幅提高所构造结构的成形精度。

附图说明

图1为本发明制备压电聚合物mems结构的装置的典型结构示意图；

图2为本发明中近场静电纺丝过程对压电聚合物纤维的在线极化示意图，其中e为高压静电场强，f为静电拉伸力；

图3为本发明中对纤维在三维空间下沉积位置精确控制的示意图；

图4为本发明纤维沉积部位的局部放大示意图。

其中，1-注射器，2-注射泵，3-纺丝针头，4-前驱液，5-电源，6-可编程三轴移动平台，7-金属板，8-纤维收集器，9-移动平台控制器，10-已沉积纺丝纤维。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细叙述：

参照图1至图3，本发明的基于近场静电纺丝一步化工艺制备压电聚合物mems结构的装置，主要装置包含了注射器1、注射泵2、纺丝针头3、电源5、可编程三轴移动平台6、接金属板7、纤维收集器8和移动平台控制器9。其中金属板7固定于可编程三轴移动平台6上，纤维收集器8设置于金属板7表面；注射泵2与注射器1连接，纺丝针头3与注射器1连接，前驱液4装于注射泵2中；电源5的正极与纺丝针头3连接，电源5的负极与金属板7连接；纺丝针头3垂直设置于纤维收集器8的上方，纺丝针头3与金属板7之间形成静电场；通过调整注射泵2的流量，能够使前驱液体材料在静电力作用下从纺丝针头3喷射出并形成微纳纺丝纤维，基于以上纺丝针头3与金属板7之间形成的强静电场与静电拉伸作用，实现对纺丝纤维的在线压电极化。本发明的纺丝针头3能够在静电场的作用下向纤维收集器8表面喷射纺丝纤维，纺丝纤维能够在纤维收集器8表面沉积，纤维收集器8上已沉积纺丝纤维部位的电阻下降并吸引后续的纺丝纤维沉积在已沉积纺丝纤维10之上。

作为本发明优选的实施方案，纺丝针头3到纤维收集器8的表面的距离，或到已沉积纤维10的距离为0.5～3mm；该距离使得纺丝针头3与纤维收集器8之间形成的静电场能够使前驱液4从纺丝针头3喷射而出，同时该距离是静电纺丝射流的稳定运动区域，能够实现对纤维在纤维收集器8表面沉积位置的精确控制。

作为本发明优选的实施方案，电源5的工作电压为0.6～2kv，因此在纺丝针头与纤维收集器之间能够形成mv/m的高压静电场，当静电场升至一定临界值之后，纺丝针头3与纤维金属板7之间形成的静电场能够使前驱液4从纺丝针头3喷射而出，形成纺丝纤维，并使形成的纺丝纤维经过静电拉伸作用之后沉积于纤维收集器8，以上过程中的静电场极化与静电拉伸作用协同完成纺丝纤维的在线压电极化。

作为本发明优选的实施方案，纤维收集器8采用普通的纸张，一般可采用打印纸，普通的纸张由纤维素纤维组成，其漂白工艺使得纸含有大量化学残余物质，如氯离子、钠离子等，当纸内含水量增加之后，这类残余离子导电迁移率急剧增加，从而纸的导电率上升。当近场静电纺丝纤维沉积于纸纤维收集器之后，已沉积纺丝纤维10上的残余溶剂将浸润纸张，造成已沉积有纺丝纤维10那部分纸的电阻值极速下降，已沉积纺丝纤维10上的残余电荷就能够通过该导电通道进行释放，因此已沉积纤维10作为在线制造的新“接地单元”(如图4所示)，吸引后续的纺丝纤维沉积在已沉积纺丝纤维10之上，实现对纺丝纤维在空间第三维沉积位置的准确控制。

如图1和图2所示，作为本发明优选的实施方案，将金属板7接地。

通过本发明的装置备压电聚合物mems结构时，过程如下：

配制压电聚合物前驱液，配置过程为将压电聚合物材料溶解于溶剂中，形成所述前驱液4；前驱液4中压电聚合物材料的质量百分数为5％～30％，其中压电聚合物材料采用聚偏氟乙烯(pvdf)、尼龙(nylon)或偏氟乙烯—三氟乙烯共聚物(pvdf-trfe)等典型压电材料；然后将前驱液4转移入注射器1，将电源5的正极与纺丝针头3连接，电源5的负极与金属板7连接，将金属板7接地，并将金属板7固定于可编程三轴移动平台6之上，将一张a4纸紧贴金属板7，将该a4纸用作纤维收集器8；

接着调整纺丝针头3与a4纸表面之间的距离在0.5～3mm，搭建近场静电纺丝平台，充分利用静电纺丝射流的稳定运动区域，实现对纤维沉积位置在x-y平面内的精确控制；

接着接通电源5，使电源5的工作电压在0.6～2kv，在纺丝针头3与a4纸之间形成高压静电场，该高压静电场应低于空气击穿场强，形成对压电聚合物材料的静电场极化；同时，逐渐升高工作电压，当静电场超过一定临界值时，强静电场破坏前驱液4的表面张力，前驱液4形成射流(该射流也就是纺丝纤维)从纺丝针头3喷射而出，射流经过静电拉伸作用后，沉积于a4纸，如图2所示；前驱液4在沉积于纤维收集器之前，射流挥发部分溶剂，并受到静电拉伸力作用；以上静电场极化和静电拉伸作用实现对压电聚合物纤维的在线极化；

通过计算机编制程序，设定聚合物mems结构的结构参数，将程序输入移动平台控制器9，在近场静电纺丝过程中，控制可编程三轴移动平台6在x-y平面内的移动方向、速度以及运动轨迹的执行次数，实现纺丝纤维的一致性重复堆叠，以此控制聚合物mems结构的二维形状参数；另外，控制z可编程三轴移动平台6在z轴方向的移动速度，保证纺丝针头3与所构造mems结构的距离保持一致，实现纤维的一致性重复堆叠，达到对沉积纤维数量的控制，以此控制聚合物mems结构的高度参数，综上，实现“增材”成形制造。以上技术保证了对所制造压电聚合物mems结构形状参数、深宽比的控制。

另外，在本发明的制备方法中，通过调整前驱液4的浓度、电源5的工作电压、可编程三轴移动平台6的移动速度、纺丝针头3到纤维收集器8表面的距离，能够调控纺丝纤维的直径，控制压电聚合物mems结构的成形精度。

作为本发明优选的实施方案，可编程三轴移动平台6在x-y平面内移动速度为10～100mm/s，在z轴方向的移动速度为0.1～100μm/s；注射泵2的流量精密控制为0.1～100ml/h。

实施例：

采用聚偏氟乙烯pvdf配制前驱液，取质量比为1:1丙酮与二甲基亚砜混合液作为溶剂，将一定量的聚偏氟乙烯pvdf溶解于以上溶剂，形成质量分数比在18％～22％的静电纺丝前驱液4，并将制备好的前驱液4转移至注射器1；

连接注射装置注射器1与注射泵2连接，并在注射器1上安装纺丝针头3，通过注射泵2控制注射器1挤出前驱液，挤出速率为0.1～100ml/h，再将纺丝针头3接于电源5的正极，将电源5的负极连接于金属板7，并将金属板7固定于可编程三轴移动平台6之上，将金属板7接地，采用粘接剂将一张普通的a4纸固定于金属板7，该a4纸作为纤维收集器8；

在光学显微镜下，精确调节纺丝针头3到纤维收集器8的距离在0.5～3mm，构建近场静电纺丝平台；

设定电源5的输出电压范围在0.6～2kv之间；

事先设计所需构造三维结构的结构参数，通过计算机编程，输出给移动平台控制器9，控制可编程三轴移动平台6在x、y、z三个方向上的运动参数，设置该运动参数：x与y方向的速度设为10～100mm/s，z轴方向的速度0.1～100μm/s，运行轨迹的执行次数根据结构高度决定。

开启电源5，电源5输出工作电压；同时，开启移动平台控制器9，移动平台控制器9控制可编程三轴移动平台6的运行，完成压电聚合物mems结构的一步化工艺制备。