J. Fluid Mech.：空间电场可消除液滴沉积中的气泡捕获

2022-08-06 03:08

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当一个电中性液滴沉积到刚性基板表面上时，液滴底部总会捕获一个小气泡，这个现象广泛存在于直径从几百纳米到几毫米范围的液滴沉积过程中。对许多基于液滴沉积的应用（如喷墨打印，电流体喷印，熔融金属的3D打印等），液滴捕获的气泡最终会转变为局部质量缺陷，从而影响材料的结构和功能完整性。当前学者提出消除气泡捕获的方式主要分为两类：降低环境大气压至真空环境和对基底表面进行微结构化处理，为气体逃逸预留通道。然而在实际工艺应用中，这两种方式均没有良好的适用性，仍急需一种简便消除气泡捕获的手段。

近日，华中科技大学黄永安教授与南方科技大学邓巍巍教授联合在流体顶级权威期刊Journal of Fluids Mechanics发表研究论文“Air entrapment of a neutral drop impacting onto a flat solid surface in electric fields”。该论文提出通过施加外界空间电场可以调控液滴与基板的接触状态，从而消除液滴沉积过程中的气泡捕获。

气泡捕获的根本原因在于：在液滴靠近壁面距离几微米时，液滴底部的空气膜受挤压导致空气的粘性剪切作用凸显，气膜中心增强的润滑压力使液滴底部上凹成酒窝形。由此液滴与基板形成了环形接触，环内气体无法逸出，最终在液滴底部形成一个小气泡（图1a）。而在电场中，液滴由于表面极化出感应电荷，受电场力的作用而发生拉伸形变。当电场强度足够时，液滴底部在接触基板前变成了锥状，与基板形成点接触，从而消除了气泡捕获的过程（图1b）。底部视图中可以看到干涉条纹和空气圆盘都消失了，取而代之的是一个不断增长的深色圆盘。这意味着润湿区域从中心点向外扩展，避免了空气膜被捕获。

图1 施加电场前后液滴沉积过程对比：（a）无电场；（b）有电场。

通过数值模拟揭示了电场中液滴下落过程中的空间电势(Ф)，液滴表面极化电荷密度(ρ_e)分布和电应力矢量(f_es)的分布，如图2所示，在液滴即将接触基板前，液滴底部的电荷密度(ρ_e)急剧增加，导致电场(E_B)和电应力(f_es)的迅速增强。电应力促使了液滴底部局流动加强，从而形成锥形尖端并与基板形成点接触，避免了气膜的捕获过程。

图2 电场中空间电势和液滴表面电荷密度、电应力分布以及液滴底部局部演变图（We = 8.6）。

此外，在随着外界电场强度从0逐步增大的过程中，可以看到液滴与基板的初始接触半径会逐渐减小为0（图3）。

图3 不同场强下液滴撞击基板瞬间底部视（We = 8.6）。

进而根据液滴在基板上的润湿过程和最后的气泡分布情况，可以将初始接触状态分为以下三类：环状接触、多重接触和中心接触。在数值模拟中同样观察到上述三种初始接触状态，通过液滴底部局部流线和压力场图，可以清晰地观察到上述三种接触初始状态下的气膜演变过程（图4）。

图4 三种初始接触状态的液滴底部视图和局部流线及压力场：（a）环状接触；（b）多重接触；（c）点接触（We = 8.6）。

该研究更深入的基于镜像电荷模型，理论推导了液滴底部的气膜润滑压力和电应力，获得了无气泡沉积的理论场强阈值（），并与实验和数值结果获得了很好地匹配（图5）。该工作通过实验、数值模拟和理论分析提供了一种新的液滴无气泡沉积调控方法，将有机会解决基于液滴沉积的增材制造工艺中因气泡捕获导致的质量缺陷问题。

图5 电场中气泡捕获状态相图分布

华中科技大学的黄永安教授和南方科技大学邓巍巍教授为共同通讯作者。华中科技大学博士研究生田雨和南方科技大学高级研究学者刘艳初博士为共同第一作者。其余作者有华中科技大学硕士生彭子寒、叶冬讲师、关寅副教授、周新平教授和南方科技大学本科生许晟昊。华中科技大学为论文的第一单位。该研究获得了国家重点研发计划，国家自然科学基金，湖北省自然科学基金和华中科技大学学术前沿青年团队的支持。