[发明专利]微纳结构的增材制造方法

说明书

本发明提供了微纳结构的增材制造方法，基于电场作用操控气体中带电分散相的定向迁移，使所述带电分散相在基底上堆垛形成特定微纳结构。本发明的微纳结构增材制造技术不借助化学反应、无需激光源、无需离子/电子束、无需光敏材料，可常温常压操作，所提供的技术方案能够以低成本、高纯度、多材料、超高分辨率、超快速和一次性大面积打印微纳结构，可解决微纳尺度增材制造中所面临的打印材料种类少、打印分辨率低、打印速度慢和序列式打印等难题。

技术领域

本发明涉及微纳尺度的打印领域，特别是涉及微纳结构的增材制造方法。

背景技术

微纳增材制造(亦称为微纳尺度3D打印)是一种基于增材原理制造微纳结构的新型微纳加工技术。与现有微纳制造技术相比，它具有成本低、结构简单、可用材料种类多、无需激光、无需真空、无需液态试剂、直接成形等优点，尤其是在复杂三维微纳结构、高深宽比微纳结构、多材料和多尺度的微纳结构、平行模式打印多个微纳结构以及嵌入异质结构制造方面具有突出的潜力和优势。

但是，现有的各种微纳尺度打印具有一定的局限性。如微立体光刻打印材料单一，分辨率较低，尤其对于必须支撑材料的结构难以实现打印；双光子聚合激光直写虽然具有高分辨率，但是打印成本较高、打印速度慢；电喷印打印对电流体的特性要求高，且存在喷嘴堵塞、流体杂质和无法一次性同时打印多个阵列结构等问题。电子束和离子束打印虽可达微纳尺度，但打印材料单一、打印极慢、操作条件和前驱体材料要求苛刻等。更重要的是，以上的微纳尺度打印技术无法实现对金属材料的快速打印和平行打印，而金属材料的力学和导电性能等具有独特的优势，金属材料的微纳制造对微电子、超构材料和光子晶体等的研究具有极为重要的意义。

为满足科学和实际需求，需开发新型的微纳尺度打印增材制造方法、工艺和装备，实现多材料、平行模式、大面积的微纳结构的快速打印。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微纳结构的增材制造方法，用于解决现有技术中难以多材料、快速、以平行模式打印等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明是通过包括如下技术方案实现的。

本发明提供一种微纳结构的增材制造方法，基于电场作用操控气体中带电分散相的定向迁移，使所述带电分散相在基底上堆垛形成所需的微纳结构。

优选地，所述带电分散相的尺寸为0.1nm～10μm。

优选地，所述带电分散相的材料选自无机材料、有机材料和复合材料中的一种或多种。

优选地，所述基底上罩设有镂空图案层，所述带电分散相在迁移过程中穿过所述镂空图案层中的孔道迁移至基底上。

优选地，所述电场作用的强度为1～10000V/cm或-10000～-1V/cm。

优选地，通过调控电场作用的分布和强度、基底的运动，控制打印的形状和尺寸。

优选地，所述气体的使用量为0.1～100L/min。

优选地，所述电场作用使得所述气体中的带电分散相产生定向迁移。

优选地，所述基底连接外部电路。

优选地，所述导电分散相通过放电等离子体技术、气雾化法或者电喷雾手段制备。

本发明提供的微纳结构的增材制造方法，具有以下有益效果：

1)整个打印过程可直接在常温常压下进行，极大地简化了设备配置，降低了成本，拓宽了操作范围和材料选择。

2)整个打印过程由电场和带电分散相本身控制，不引入任何其他杂质，所打印的结构均匀性和纯度高。

3)所使用的气体中的分散相材料种类广泛，使打印材料具有多种性。