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雙光子灰度光刻技術(shù)革新航天器推進(jìn)器制造
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,，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和痛點,。
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,、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)計非常重要。
在毛細(xì)管式發(fā)射器的設(shè)計中,，一個主要的挑戰(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,，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的一個優(yōu)點是工藝時間顯著縮短，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,。將電極集成到發(fā)射器設(shè)計中具有許多優(yōu)點,，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，因為發(fā)射器與電極相互作用,。緊湊的設(shè)計本身是另一個優(yōu)點,，因為集成的電極需要更少的支撐材料。3D光刻方法確保了多個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。
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),。在所有實驗中,，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®在實現(xiàn)優(yōu)異的打印質(zhì)量同時兼顧打印速度,，適用于微光學(xué)制造和光子封裝領(lǐng)域,。
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