来源:Micromachines 发布时间:2021/7/16 16:07:40
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印刷技术新发现——使用直写成型技术可打印易爆晶体微图案 | MDPI Micromachines

论文标题:A Simple Route of Printing Explosive Crystalized Micro-Patterns by Using Direct Ink Writing

期刊:Micromachines

作者:Albertus Ivan Brilian, Veasna Soum, Sooyong Park, Soojin Lee, Jungwook Kim, Kuktae Kwon, Oh-Sun Kwon and Kwanwoo Shin

发表时间:21 January 2021

DOI:10.3390/mi12020105

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期刊链接:https://www.mdpi.com/journal/micromachines

基于微机电系统的安全点火装置中含能材料的填充方法必须精确、自动化且安全。对于小型爆炸柱,其药物柱的凝固速度慢,传统的模压、铸型等方法在微机电系统中难以实现炸药的有效融合。微观印刷含能材料 (炸药、烟火剂等) 对于开发安全可靠的引爆器芯片至关重要,但常规的全液体墨水可能导致印刷头故障和喷嘴堵塞,且溶剂表面张力较低,限制了其印刷性能。

近期,来自韩国Sogang University的Kwanwoo Shi教授及其团队在Micromachines上发表了题为“A Simple Route of Printing Explosive Crystalized Micro-Patterns by Using Direct Ink Writing”的研究成果,展示了一种新颖的一步印刷方法,借助微绘图仪用以易爆的1,3,5-三硝基-1,3,5-三嗪烷 (RDX) 晶体为主要成分、乙酸丁酸纤维素 (CAB) 为粘合剂、γ-丁内酯 (GBL) 为溶剂的RDX全液体墨水打印微图案。在特定浓度下,表现出优异的印刷性能,没有喷嘴堵塞等现象;经紫外臭氧 (UVO) 处理后的硅片亲水性增强,因此可以在处理后的硅片上灵活打印各种尺寸和形状的RDX晶体微图案。

实验设计

1,3,5-三硝基-1,3,5-三嗪烷(RDX)分子式,易爆物。

1.制备RDX墨水及预处理硅片基板

制备RDX墨水所需的材料及硅片的参数如下:

物品名称

性状

用途

1,3,5-三硝基-1,3,5-三嗪烷 (RDX) 

晶体粉末

溶质 (爆炸性含能材料) 

乙酸丁酸纤维素 (CAB) 

平均Mn:~65,000

粘合剂

γ-丁内酯 (GBL) 

液态

溶剂

硅片

P型(掺硼),厚度525±25 µm,单面抛光

印刷基板

 

分别制备RDX-CAB-GBL (RDX:CAB比例为9:1) 和RDX-GBL两种墨水,浓度均为0.55 M。充分搅拌溶解混合物后,再用5 µm PTFE针筒式过滤器过滤RDX墨水,以去除未溶解的材料或其他污染物。将硅片切成约2×2 cm2的小块,依次用去离子水清洗、超声、烤箱干燥处理, 最后UVO处理5分钟以增加其亲水性。

2.RDX墨水的印刷

使用微型绘图仪印刷RDX墨水 (图1),将打印速度和加速度分别调整为0.5 mm/s和10 mm/s2,以增强打印性能。室温下,喷嘴尖端置于基板上方10 µm处,使用直写成型方法沉积的墨水会自发结晶。

图1. 直写成型系统,插图显示喷嘴正在喷出RDX墨水。

实验结果与讨论

1.RDX墨水的直写成型及其打印性能

为研究RDX墨水的打印性能,将配制的RDX-CAB-GBL和RDX-GBL墨水分别印刷在原始的硅片上。由于加入了粘合剂 (CAB),RDX-CAB-GBL的粘度 (16.75 cP) 明显高于RDX-GBL的粘度 (2.16 cP) ,且RDX晶体在RDX-CAB-GBL墨水中聚集,因而呈现出更好的打印性能。印刷的图案如图2a所示。因添加粘合剂可以增强打印性能,故选择RDX-CAB-GBL墨水进行后续实验,RDX浓度为0.55 M。在图2b中,RDX-CAB-GBL墨水中RDX含量较原始RDX粉末的要少,导致RDX-CAB-GBL的X射线衍射峰峰值强度变弱;二者峰值轮廓的不同,说明RDX的晶相和晶体形状发生了改变,其中前者为树枝状结晶,后者为单晶结构。

图2.(a) 将配制的RDX-CAB-GBL墨水印刷在原始的硅片上;(b)RDX晶体与原始RDX粉末的X射线衍射对比图。

2.表面处理对印刷的RDX微图案的影响

经表面处理,硅基板的亲水性提高,进而改善墨水的印刷性能。由于未处理的硅片表面能较低,不利于RDX墨水的扩散,以0.5 mm/s的速度在其上面打印RDX图案 (图3a-c),得到的微图案主要是3~40 µm的几个单独的或组装的晶体 (图3c-d),难以获得分辨率良好、分布均匀的图案。经UVO处理后,硅片的表面能提高,在其上面印刷得出的RDX图案,晶体形态是树枝状的 (图4a-b),获得70~122 µm长而光滑的分支 (图4b-c)。总之,在处理过的硅片表面,RDX墨水印刷性能提高,还能形成长且连续的结晶微图案。

图3.(a,b) 在原始硅片上印刷的RDX微图案;(c,d)显示RDX单晶体数量的SEM图像。

图4.(a)在经UVO处理的硅片上印刷的RDX微型图案;(b) 沿微图案生长的RDX树枝状晶体结构;(c)树枝状晶体结构的高倍放大图;(d) (e) (c) 中所示表面的EDS成分图。

3.RDX长微图案阵列的打印

使用RDX墨水在经UVO处理的硅片上制作长枝状的RDX结晶微型图案,图案的宽度取决于印刷速度和喷嘴尺寸 (图5a-b)。以大于0.5 mm/s的速度打印线性图案时,线条宽度均匀;而打印非线性图案时,图案宽度变化较大,因为转折处打印速度比初始速度小,墨水的沉积量增多。为了证明有效性,用60 μm喷嘴以0.5 mm/s的打印速度在经UVO处理的硅片上设计并打印了点、波浪、字母和网格 (图5c-f) 等较长的图案阵列。尽管能够生成含有RDX晶体的微图案,但由于安全规定,无法测试这些晶体的爆炸行为。

图5. 在经UVO处理的硅片上印刷的RDX图案的宽度 (a) 不同的速度;(b) 不同的喷嘴尺寸 (内径) 印刷出的不同形状的RDX图案;(c) 点;(d) 波浪形;(e) 字母“ADD”和 (f) 网格。比例尺 = 500 μmm。

直写成型系统使设计和印刷更加灵活,无需掩模或模具就可以快速、便捷地打印各种尺寸和形状的RDX结晶微图案,不需要额外的处理步骤,易于使用。这种直写成型方法有望提供一种有效且可靠的方法,将含能材料集成到新型、复杂、紧凑的基于微机电系统的安全点火装置中。

Micromachines (ISSN 2072-666X, IF 2.891) 是MDPI 组织出版的国际型开放获取期刊。期刊研究内容涉及微/纳米结构、材料、器件、系统及与微纳技术相关的基础研究及应用。目前期刊已被SCIE (Web of Science)、Ei Compendex、Scopus等数据库收录。Micromachines 采取单盲同行评审,一审周期约为12.6天,文章从接收到发表仅需1.9天。

 
 
 
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