近期德國Justus Liebig University的Fynn L. Kunze課題組在Journal of Electric Propulsion上發(fā)表了關(guān)于一種利用Nanoscribe3D微納加工技術(shù)制造微型毛細(xì)管式電噴霧推進(jìn)器的方法。

電噴霧推進(jìn)器（Electrospray thrusters）是一種靜電推進(jìn)器，通過使用靜電場從液體推進(jìn)劑中提取離子或液滴來工作。由于具有可擴(kuò)展性、精確的推力和脈沖比特以及使用液體或半固體推進(jìn)劑等優(yōu)點(diǎn)，它們成為微型和納米衛(wèi)星以及商業(yè)應(yīng)用的理想選擇。

然而，電噴霧推進(jìn)器的研究也面臨著許多難點(diǎn)和痛點(diǎn)。

制造工藝的挑戰(zhàn)：微型電噴霧推進(jìn)器的制造需要高精度和高分辨率的制造工藝，這對于傳統(tǒng)的制造方法來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。

材料選擇：推進(jìn)器的材料需要在太空的惡劣環(huán)境下保持穩(wěn)定，同時(shí)具有良好的導(dǎo)電性和耐腐蝕性。

推進(jìn)劑管理：推進(jìn)劑的供應(yīng)和管理是電噴霧推進(jìn)器的一個(gè)關(guān)鍵問題。推進(jìn)劑需要在真空環(huán)境下穩(wěn)定地供應(yīng)到發(fā)射器，同時(shí)避免泄漏和污染。

性能優(yōu)化：電噴霧推進(jìn)器的性能受到多種因素的影響，包括發(fā)射器的幾何形狀、電極的設(shè)計(jì)、推進(jìn)劑的性質(zhì)以及工作電壓等。優(yōu)化這些參數(shù)以獲得最佳性能是一個(gè)復(fù)雜的問題。

為了解決這些問題，本文提出了一種創(chuàng)新的方法，利用Nanoscribe雙光子光刻技術(shù)進(jìn)行微型毛細(xì)管式電噴霧推進(jìn)器的增材制造。雙光子光刻（Two-photon lithography）是一種增材制造工藝，利用雙光子相互作用引發(fā)光敏樹脂中的化學(xué)反應(yīng)。與傳統(tǒng)的微機(jī)械制造技術(shù)（如微加工或蝕刻）相比，雙光子光刻在形狀和結(jié)構(gòu)的可能性方面受到的限制明顯更少，可以制造出具有高縱橫比（寬度與高度比）的結(jié)構(gòu)，這對毛細(xì)管式發(fā)射器的設(shè)計(jì)非常重要。

在毛細(xì)管式發(fā)射器的設(shè)計(jì)中，一個(gè)主要的挑戰(zhàn)是毛細(xì)管的流體阻力。如果發(fā)射器的阻力不足，它們很容易溢出或產(chǎn)生大液滴而不是精細(xì)的離子噴霧。為了增加流體阻力，本文提出了一種增加毛細(xì)管縱橫比的解決方案。作者還介紹了毛細(xì)管式發(fā)射器的設(shè)計(jì)，并討論了影響流體阻力的因素，如毛細(xì)管的半徑和長度。

在文獻(xiàn)中，作者使用了IP-Q光刻膠作為發(fā)射器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)材料。IP-Q光刻膠具有與SU-8相當(dāng)?shù)臋C(jī)械和化學(xué)性能，并且在微流體應(yīng)用中表現(xiàn)相似。與SU-8相比，使用IP-Q的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是工藝時(shí)間顯著縮短，這是由于使用了10倍物鏡而不是之前使用的20倍物鏡。然而，更高的打印速度是以增加體素尺寸為代價(jià)的。

本文還提出了一種用于發(fā)射器陣列的集成提取電極的全新模塊化設(shè)計(jì)。將電極集成到發(fā)射器設(shè)計(jì)中具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如提高發(fā)射器孔與電極之間的對準(zhǔn)精度，從而減少截獲的離子電流。3D打印電極進(jìn)一步減少了制造誤差。這些誤差可能導(dǎo)致發(fā)射器提取行為的差異，因?yàn)榘l(fā)射器與電極相互作用。緊湊的設(shè)計(jì)本身是另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榧傻碾姌O需要更少的支撐材料。3D光刻方法確保了多個(gè)提取電極在尺寸和形狀上幾乎相同，并提供了高度的靈活性，可以以任何期望的方式調(diào)整電極的設(shè)計(jì)。

最后，作者展示了發(fā)射器操作和原位觀察的光學(xué)圖像和視頻以及發(fā)射數(shù)據(jù)。在所有實(shí)驗(yàn)中，電極接地，然后向離子液體1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽（EMIM-BF4）施加正或負(fù)高壓。

本文的工作通過Nanoscribe雙光子聚合原理微納3D打印完成，全新雙光子灰度光刻技術(shù)將微納增材制造和超高速體素大小調(diào)節(jié)結(jié)合在一起：雙光子灰度光刻(2GL)是一種全新的具有超高速、超精確的可以滿足自由形態(tài)的微加工技術(shù)，同時(shí)又不影響速度和精度。

Nanoscribe 3D微納加工系統(tǒng)海具備A2PL®對準(zhǔn)雙光子光刻技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)在光纖和光子芯片上的納米級精確對準(zhǔn)。3D printing by 2GL®在實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的打印質(zhì)量同時(shí)兼顧打印速度，適用于微光學(xué)制造和光子封裝領(lǐng)域。

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