熔体近场直写轴向压弯沉积精确控制研究
蜿蜒屈曲纤维作为一种类似弹簧结构且具有x/y单向延伸效果的超延展性材料，已被广泛研究并应用在可拉伸/柔性电子器件和微光纤的制造中。然而，蜿蜒结构在生物组织工程支架制造领域的研究尚未得到很深入的研究，且要实现微尺度高一致性蜿蜒结构的精确制造，仍然是一个巨大的挑战。主要是纤维的结构、形貌、力学性能等参数难以实现实时闭环控制，现有的制备工艺限制了纤维支架微结构的精确制造。因此，亟需一种能稳定、精确地制造具备蜿蜒微结构的新策略。幸运的是，自然界中普遍存在的轴向压弯效应可以利用粘性流体以一定的高度下落时为抵抗轴向压力发生屈曲从而产生不同的线圈图案，如直线、正弦蜿蜒、“8”字、卷绕等。利用该特性可设计出具有超弹性、负泊松比、超延展性的蜿蜒结构传感器和组织支架。电纺直写微纳制造过程中，射流下落也出现轴向压弯现象并可以形成三维的蜿蜒结构。据此，本文提出了一种将熔体电纺直写结合轴向压弯效应的微尺度蜿蜒结构制造新方法，利用成本较低、生物相容性好、降解性优异的聚合物材料制造基于高粘度熔融高分子材料的高性能复合蜿蜒结构。本方法在熔体近场直写可控沉积的基础上，对纺丝电压、接收板运动速度、针头高度和针头直径等参数进行控制，结合电纺射流在下落过程中的轴向压弯现象获得不同形貌的蜿蜒沉积。本文主要研究内容如下： （1）提出熔体近场直写轴向压弯制备蜿蜒结构的新方法。对熔体近场直写射流沉积以及自然界中的流体轴向压弯现象进行力学分析，在此基础上对电纺过程中施加电压时的射流轴向压弯现象完成理论推导，并明确熔体近场直写轴向压弯蜿蜒沉积形貌的影响因素分别是接收板运动速度（V）、电压（U）、针头高度（H）和针头直径（D）。为后面的仿真和实验探究打下理论基础。 （2）利用仿真软件COMSOLMultiphysics对近场直写轴向压弯过程进行仿真分析。首先对PCL熔融态的杨氏模量进行计算和材料建模来模拟射流。随后根据静电场和固体力学模块的仿真原理，对电势和电场分布特点进行分析，利用固体和电场耦合模拟射流的蜿蜒屈曲过程，并最终确定电场对射流的轴向压弯起积极作用。证明熔体近场直写轴向压弯制备蜿蜒纤维的方法是行之有效的。 （3）实验探究得到有序可控蜿蜒沉积的各影响参数适用范围及蜿蜒形貌随参数改变的变化机制。通过四组对比实验，找到针头直径变化、电压变化、接收板运动速度变化和针头高度变化对蜿蜒沉积形貌变化的影响机制，发现有序蜿蜒沉积的控制方法。然后进行双因素三水平方差实验，经过F值检验得到电压和接收板运动速度对蜿蜒沉积形貌有显著性影响。并成功打印出柔性细胞培养支架进行细胞培养实验。 （4）对熔体近场直写轴向压弯效应蜿蜒沉积进行空间拓展。一是通过对阵列针头的场间干涉仿真和双针头沉积实验提出蜿蜒沉积纤维大规模制备的方法；二是提出一种带有偏转接收板的近场直写装置，通过接收板在不同方向的偏转，可同时实现几种形貌蜿蜒沉积的组合制备或获得一种渐变形貌的蜿蜒沉积。
熔体电纺直写;轴向压弯效应;微尺度蜿蜒结构;可控沉积;精确控制
广东工业大学
硕士
机械工程
陈新;王晗
2021
中文
TQ340.64
2021-10-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）