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：

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。