同轴气流作用下压电驱动式微滴喷射行为的实验研究

2020-03-09裴泽光

上海交通大学学报 2020年2期

周健，裴泽光

(东华大学机械工程学院，上海 201620)

图1 设有同轴气流喷射槽的压电式微滴喷头结构示意图和实物图Fig.1 Schematic diagram and photo of airflow-assisted piezoelectric printhead

近年来，随着材料学的飞速发展，基于微滴喷射原理的喷墨印刷技术因成本低、灵活性高、节省原料、不损伤基材等优点而越来越多地应用于各种功能材料和器件的加工与制备，如太阳能电池、无线电射频识别(RFID)标签、化学与生物传感器、印刷电路板、光学微机电系统(MEMS)及智能纺织品等[1-2].

喷墨印刷按照微滴形成的方式主要分为连续式和按需式，后者由于只在印刷需要时才借助压力波的作用喷射出单颗微滴而更具优势，目前压电驱动式在按需式喷墨印刷中应用最为广泛[3].随着对喷墨印刷分辨率和精度要求的逐步提高，微滴尺寸逐渐减小；当基底厚度较大或带有毛羽时(如织物)，需采用较大的印刷隔距，使微滴的飞行时间增加.这两个因素使微滴在运动过程中更易受到空气阻力的干扰[1,4].此外，随着喷墨印刷不断向高速化方向发展，基底平移(速度可达20 m/s)产生的诱导气流(库埃特流)作用在微滴上的阻力会使其运动轨迹发生偏转[5-7].可见，在喷墨印刷过程中，外界环境中扰动气流的存在使微滴难以按照理想路径垂直下落到达基底上的指定位置，从而产生沉积偏差.因此，如何消除扰动气流对微滴定位准确度的影响已成为进一步提高喷墨印刷精度和可靠性所亟待解决的关键问题之一.

针对上述问题，本文提出了在压电驱动式喷墨印刷过程中利用同轴气流对微滴的飞行过程进行驱动，可提高其沉积速度，减小甚至消除扰动气流导致的微滴沉积偏差；同时，同轴气流也对微滴的形成过程产生影响，因此对同轴气流作用下的微滴喷射行为进行研究，有助于利用同轴气流提高微滴定位精度有效性.国内外对于液滴或液体射流在同轴气流作用下的形成过程和流动特性已有诸多报道，包括液-气流动聚焦[8-9]、同轴气流雾化[10-11]、熔喷[12]等，但这些研究多是针对连续流动，在射流形成方式、流动尺度及应用领域等方面与喷墨印刷有所不同.目前，对于压力波与同轴气流共同作用下微滴喷射行为的研究还比较少见.

为此，本文基于自行设计与加工的同轴气流辅助式压电微滴喷头，构建了微滴喷射与观测系统，通过对同轴气流作用下压电驱动式微滴喷射过程进行分析，研究同轴气流在微滴延伸、断裂与飞行过程中的作用，明确同轴气流强度对微滴喷射行为的影响，为同轴气流辅助式压电微滴喷头的设计提供基础，为提升喷墨印刷技术提供新思路.

1 实验装置

1.1 同轴气流辅助式压电微滴喷头

本文设计并加工了一款设有同轴气流喷射槽的压电式微滴喷头，结构及实物如图1所示.喷头由上盖、喷腔体、底座和支撑体四部分(均由黄铜制成)从上到下依次叠加构成，相邻各部件之间均有密封圈，以防液体与气体泄漏.

喷腔体中心部分储液腔呈锥形，腔上方用于驱动液体喷射的压电片由PZT型压电陶瓷片与薄黄铜片黏结构成.喷腔体侧壁上设有贯穿其中并与储液腔相连通的进液通道.喷嘴采用玻璃微喷嘴，主体为圆柱形，出口端为锥形.套在喷嘴入口段外部的硅胶管采用过盈配合方式嵌入喷腔体和底座中心孔中，使喷嘴与储液腔相连接，并对玻璃微喷嘴起保护作用.

底座侧壁上沿喷头径向设有3个进气通道，内径为3 mm，沿喷头周向均匀分布(相邻夹角为120°)，以保证所形成同轴气流的均匀性.支撑体中心处设有呈锥形且锥角为120° 的气流喷射孔，使之与底座间形成气室，其上游和下游分别与进气通道和气流喷射孔相连接.玻璃微喷嘴位于气流喷射孔中心并从中伸出，可在外围形成环形的气流喷射槽.气流经由进气通道进入气室内，随后经气流喷射槽喷出，从而在喷嘴外围形成同轴气流.压电式喷头的主要结构参数如表1所示.

表1 压电式喷头结构参数(mm)Tab.1 Structural parameters of piezoelectric printhead (mm)

1.2 微滴喷射与观测系统

基于上文喷头，设计并搭建了微滴喷射与观测系统，如图2所示.利用逆压电效应，压电陶瓷片在受到脉冲电压(U)的激励后产生机械振动，储液腔内部体积发生变化从而驱动微滴从喷嘴喷出.实验中由波形信号发生器(Tektronix AFG 3022C)产生波形信号，经由电压放大器(Agitek ATA-2032)放大后驱动压电片，利用示波器(Tektronix MSO 2024B)将放大后的波形信号进行实时显示.波形信号选用双极性梯形波.

基于微滴喷射过程中同一时刻不同微滴间良好的可重复性，微滴观测系统采用电荷耦合器件(CCD)相机(Imaging Source DFK 23G274)，并在实验中通过精确调整相机曝光相对微滴喷射的滞后时间来获取不同时刻的微滴图像.CCD相机上装有放大镜头(Moritex MML2-HR65D)，照明采用LED阵列光源(Thorlabs LIU525B)，光源与CCD相机位于喷头的两侧并相对布置，采用背光法[13-14]拍摄.实验均在室温下进行，喷射液体选用纯净水.

实验中采用的波形与主要设备参数如表2所示，梯形波中tr为上升时间，td为停留时间，tf为下降时间，tw为脉冲宽度.

图2 微滴喷射与观测系统示意图Fig.2 Schematic diagram of micro-droplet ejection and observation system

表2 波形与主要设备参数Tab.2 Waveform and main device parameters

1.3 微滴喷射行为观测

图3显示了由微滴观测系统拍摄到的同轴气流压强p分别为0(即未喷射同轴气流)和100 kPa时的微滴喷射过程.由图可见，两种情况下微滴的喷射过程均可划分为以下阶段：

图3 同轴气流压强不同时的微滴喷射过程Fig.3 Micro-droplet ejection processes with different coaxial airflow pressures

2 同轴气流对微滴喷射行为的影响

2.1 微滴延伸过程

图4 微滴喷射过程及不同压强气流作用下微滴形态Fig.4 Micro-droplet ejection process and droplet morphology under different air pressures

图5 气流压强对微滴长度随时间变化的影响Fig.5 Effects of air pressure on variation of droplet length over time

2.2 微滴断裂时刻

同轴气流强度不同时，t1相同，但t2则不同，同轴气流的强度越大，t2的值越大，即头部与尾部的断裂时刻就越滞后.在B处发生断裂主要是由于喷嘴出口附近液体的回吸和下方液柱的拉伸作用，“安全区”使喷嘴出口附近的下方液柱未受气流作用，所以这部分液柱向下的拉伸作用与未施加同轴气流时无明显差别，不同气流强度下微滴在喷嘴出口处发生断裂的时刻保持一致.如前所述，微滴头部与尾部的断裂发生在A处，当此处液体减少以致曲率半径为0时，断裂发生.

本文还研究了同轴气流压强对A处微滴直径D的影响，如图6所示.由于“安全区”下边界大致位于A的上游，在气流轴向分力作用下，位于A上游表面液体沿液柱向A加速流动，而气流的径向分力对微滴头部液体产生挤压，使其内部液体也向A流动.两方面作用使A处液体增多，D值增大，进而使头部与尾部的断裂时刻延后.同轴气流的强度越大，A处液体增加越多，因而头部与尾部的断裂时刻越滞后.

图6 微滴直径随时间变化Fig.6 Variation of droplet diameter over time

2.3 微滴体积

为研究同轴气流对喷射出的微滴体积的影响，假设微滴在喷射及飞行过程中为轴对称形状，利用图像处理方法对所获二维图像中的微滴边缘进行提取，随后用切片法对微滴的体积进行计算.

图7显示了喷射微滴体积V随时间的变化规律.当压电片受到驱动电压激励后产生正向(与微滴运动方向一致)压力波并驱使液体在t=0～600 μs时从喷嘴内挤出.在t=600 μs时，压电片变形产生的正向压力波已经衰减至不能驱动液体克服自身表面张力而挤出喷嘴，此时喷射出的液体体积达到最大值.由前可知，所设置的梯形波脉冲宽度为 1 300 μs，但由于液体黏性以及喷嘴出口距压电片有一定距离，压力波的部分能量被消耗，其作用于微滴的有效时间只有600 μs.因此，由图可见，喷射微滴体积在t=0开始逐渐增大，并于t=600 μs时达到最大.在该时间段内，微滴体积随时间近似呈线性变化，且同轴气流及其强度变化对微滴体积没有影响.这是由于在该阶段，从喷嘴内喷射出的液体量主要由压电片的变形规律所决定，在喷嘴出口附近的“安全区”内没有同轴气流的作用，既不会对压电片振动和压力波在储液腔中的传播产生影响，也不会对出口附近的液体产生向正向的驱动力.

此后，反向驱动电压使压电片产生反方向变形，使储液腔内部体积增大而产生负压，喷嘴出口处锥形区部分液体被回吸入喷嘴，直至t=1 000 μs时，微滴在喷嘴出口处发生断裂为止.此阶段微滴体积逐渐减小，与此同时，由图7可见，同轴气流会使喷射出的微滴最终总体积略有减小.这是因为同轴气流径向分力对微滴头部的挤压使其中部分液体负向(与微滴运动方向相反)流动，并越过“安全区”下边界到达喷嘴出口附近，使微滴尾部液体量增加，继而由于负压作用，回吸入喷嘴的液体体积有所增大，导致喷嘴外部液体体积减小.但是由于起关键作用的波形信号和电压幅值未发生变化，同时回流至接近喷嘴出口位置的液体较少，回吸的持续时间也较短，同轴气流对喷射微滴最终总体积减小的效果不明显.此后，由于微滴已在喷嘴出口处断裂而进入飞行阶段，故其体积保持不变.

图7 微滴体积随时间变化Fig.7 Variation of droplet volume over time

3 同轴气流对主液滴和卫星液滴的影响

3.1 主液滴与卫星液滴位移

图8 主液滴与卫星液滴位移示意图Fig.8 Schematic diagram of primary and satellite droplet displacements

微滴在喷嘴出口处发生断裂后，向下方飞行一段距离会进一步断裂成主液滴和卫星液滴.以主液滴和卫星液滴前端和末端的某些点为研究对象，分析这些点在不同压强气流作用下其位移随时间变化的规律，位移以喷嘴出口平面为基准，如图8所示，主液滴前端点1、末端点2，卫星液滴前端点3、末端点4，对应位移为Xi(i=1,2,3,4).由于p=190 kPa时，微滴很快运动到相机视野以外，故不讨论该类情况.

如图9所示，主液滴与卫星液滴的位移随时间而变化.随着气流压强增大，主液滴和卫星液滴在同一时刻的位移均增大，表明同轴气流对微滴沉积速度具有显著增升作用，但由于“安全区”的存在，X4在小于500 μm时几乎不受气流压强影响.同轴气流对卫星液滴的加速效果不明显，在主液滴和卫星液滴飞行过程中，始终有X3

图9 主液滴与卫星液滴位移随时间变化Fig.9 Variation of primary and satellite droplet displacements over time

3.2 主液滴与卫星液滴速度

微滴速度决定了微滴飞行时间的长短以及主液滴和卫星液滴的相对位置变化，是微滴喷射过程的重要运动学参数.微滴速度可表达为

(1)

图10为微滴上各点速度随时间变化的曲线，可见：t=0～250 μs时，微滴受到正向压力波作用，从喷嘴中加速挤出，t=250 μs时点1速度达到最大；随后，由于液体黏性力作用以及压力波衰减，点1速度逐渐降低，于t=900 μs达到最小值.在此前时间段内，由于喷嘴内液体对微滴尾部存在的黏性力作用且微滴处于“安全区”内，同轴气流压强对点1速度的影响并不显著.此后，微滴末端逐渐收窄，作用于微滴球状头部的黏性力逐渐减小，使点1速度逐渐增加，直至微滴于喷嘴出口处B发生断裂，于t=1 000 μs时速度达到最大值；随后，飞行的微滴头部因其尾部速度较低而受到拖拽，速度在t=1 050 μs时迅速降低；再后，微滴头部和尾部断裂，拖拽作用消失，且由于存在同轴气流，点1速度迅速增大，最终主液滴以较为稳定的前端速度向下方飞行.由图10可以看出，微滴在喷嘴出口处发生断裂后，前端点1随着同轴气流压强的增大而增大.在飞行过程中主液滴末端点2速度随时间发生了明显波动，而点1速度基本呈增加趋势，这表明主液滴在飞行过程中其形状将随时间发生振荡.当未施加同轴气流时，点2速度最小值可达到 -0.5 m/s左右，且振荡频率较高；随着同轴气流压强增大，点2速度增大且波动幅度及频率均有所下降.

图10 微滴各点的速度-时间曲线Fig.10 Velocities of points on droplets over time

如小节3.1所述，微滴尾部与头部发生断裂后，尾部会先经历一段时间的收缩过程，在该过程中，尾部前端液体不断向末端流动，速度曲线上表现为点3速度在该时间段内为负值，但绝对值逐渐减小，如图10(c)所示.v3开始为0，然后变为正值，并不断增大，表明前端点3开始向下方运动.随后卫星液滴点3速度值有波动，但基本为正值.由于同轴气流导致微滴头尾部的断裂时刻发生了变化，随着p的增加，v3曲线整体右移，且v3的极大值呈增大趋势.由图10(d)可见，微滴尾部末端点4速度随时间变化，并较多地受到微滴自身振荡的影响.当p=0时，在t=1 050～1 200 μs时，点4速度由于空气阻力的影响略有降低.在t=1 200～1 250 μs时，点4速度明显增加，卫星液滴完成收缩过程并开始振荡.在t=1 250～1 400 μs时，振荡使卫星液滴形状逐渐收窄，导致液体反向流动，并与原先的正向流动相抵消，使t=1 300 和 1 350 μs时点4速度接近于零，近乎 “静止”状态.随后，由于振荡不断衰减，卫星液滴末端向下方运动的速度将不断增加，并于t=1 450 μs时达到极大值.t=1 450～1 600 μs时，v4逐渐减小，卫星液滴进入下一个振荡周期.当存在同轴气流作用时，微滴在喷嘴出口处发生断裂后，末端仍处“安全区”内，并未受到同轴气流的直接驱动作用，但气流径向力会挤压点A下方液体向末端方向流动，v4随着p增大而减小.随着卫星液滴向下运动，末端点4逐渐脱离“安全区”而受到气流轴向分力的驱动作用，v4逐渐增大，且在t=1 050～1 100 μs时，末端距离气流喷射槽最近，受到气流作用力最强，速度增大最为明显.同时，p增大能够减小当t=1 200～1 600 μs时因振荡引起点4的速度波动.在t=1 550 μs之后，v4随着p增大而显著增大.

3.3 主液滴和卫星液滴形状

微滴头部与微滴尾部断裂后，均会经历一定时间的收缩、振荡并最终分别形成主液滴和卫星液滴，二者以近似椭球体的形状向下方飞行.定义参数以表征椭球形微滴的形状，其表达式为

(2)

式中：Dv为微滴的垂直高度；Dh为微滴的水平宽度.如图11(a)所示，θ值越大，微滴的形状呈现为“窄高型”，而θ值越小，微滴的形状则呈现为“扁平型”.如图11(b)所示，当微滴受到不同强度的同轴气流作用后，在同一时刻，主液滴和卫星液滴均会受到大小不同的气流力的作用，从而各自形状也会发生变化.

为描述主液滴与卫星液滴在飞行阶段的形状变化，假设它们在收缩和振荡过程中的任意时刻均呈椭球形.图12(a)和12(b)分别显示了不同同轴气流压强下主液滴和卫星液滴在飞行阶段中θ随时间变化的规律.由图12(a)可知，当p=0，t=1 050～1 250 μs时，主液滴θ由最大值1.256逐渐减小至最小值0.870，随后从t=1 250 μs开始，θ逐渐增大，表明在这一过程中主液滴先由“窄高型”逐渐变为“扁平型”，再由“扁平型”恢复为“窄高型”.主液滴上表面受到同轴气流的压力而下表面受到空气阻力的作用，上下表面的液体受到挤压后向两侧流动，上下表面曲率半径均增大，微滴水平宽度增加，垂直高度减小，微滴形状变扁平.因此，同轴气流强度的增大会减小主液滴振荡过程中θ的最大值与最小值.

图11 微滴形状变化示意图和实际观测图(t=1 450 μs)Fig.11 Schematic diagram and actual observation example of droplet shape (t=1 450 μs)

图12 主液滴与卫星液滴θ随时间变化Fig.12 Variation of θ for primary and satellite droplets over time

由图12(b)可知，当p=0，t=1 050～1 250 μs时，卫星液滴θ由极大值θ1迅速下降，直至在t=1 250 μs时达到极小值θ2.在该时间段内，微滴尾部不断收缩成球状的卫星液滴.随后，卫星液滴不停地振荡，其θ值在t=1 250～1 400 μs时增大，并在t=1 400 μs时达到极大值θ3，而在t=1 400～1 500 μs时减小，并在t=1 500 μs时达到极小值θ4，又于t=1 500～1 600 μs时增大.θ在t=1 050～1 600 μs的变化过程中，任意相邻极大值与极小值的差的绝对值Ti不断减小，

Ti=|θi-θi+1|，i=1,2,3

此时卫星液滴形状不断趋于稳定.当p=0，100，130和160 kPa时，Ti不断减小，表明同轴气流有助于提高卫星液滴形状的稳定性.在上述4种气流压强情况中，微滴尾部由“窄高型”到“扁平型”所需的时间分别为200，200，250和350 μs，表明所需时间随着气流压强的提高而不断增加.这不仅与同轴气流使A处下移而致微滴尾部长度增大有关，而且与微滴尾部的实际受力有关.当微滴尾部与头部断裂时，呈明显“窄高型”形状，当p=0时，微滴尾部末端向下运动，而其前端在表面张力及空气阻力的共同作用下向末端回缩.在这一过程中，液体从微滴尾部前端不断向末端流动，使末端液体不断增多，末端直径不断增大，当前端液体全部流动到末端时，微滴尾部收缩过程完成，由细长的圆柱形变为“窄高型”，再变为球形，最后变为“扁平型”.当微滴尾部受到同轴气流作用后，气流径向分力不仅会挤压微滴尾部末端两侧的液体，阻止了末端直径的快速增大，同时气流轴向分力还会抑制液体由前端向末端的流动，减缓了收缩过程，延长了收缩时间.这一现象在p较小时表现并不明显，但是随着p增大，这一现象将变得显著.

同时可以观察到，当微滴尾部收缩成为卫星液滴后，同轴气流会使卫星液滴更加趋于“扁平”.在每个振荡周期内，气流压强的增加会显著降低θ的极大值，即抑制卫星液滴由“扁平型”向“窄高型”的变化.这是由于当微滴尾部收缩至“扁平型”后，微滴下表面受到的空气阻力增大，挤压液体向两侧移动，使微滴呈扁平状.