交流静电纺丝电源设计与实验研究

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静电纺丝技术采用直流高压电源产生静电场诱导导电溶液喷射,基于静电纺丝技术的射流喷印已经成为微纳系统集成制造的重要方法,尤其在有机、柔性器件制造中具有很大的应用潜力。本文针对交流诱导电纺射流喷印需求,设计了正弦高压交流电源,并通过在静电纺丝设备喷头与收集基底之间加载正弦交流电压,验证了该电源用于交流电纺的效果,并初步探究了交流诱导电纺射流喷印的规律。根据交流电纺需求,设计了正弦高压交流电源,通过原理分析及参数计算,设计了推挽式直流变换电路、SPWM逆变电路以及控制电路等。通过制作调试,直流变换部分当PWM控制信号占空比为0.379时,输出电压稳定在397V;不同负载下,输出误差在1V以内,纹波系数在5%以内。SPWM逆变部分,以直流变换电路输出电压作为输入,测试了交流电压峰值、总谐波畸变因素(THD)随频率、调制度、输入电压以及负载变化情况。实验表明,调制度越大,总谐波畸变因素(THD)越低。当调制度为0.8时,THD在4%以内,电压峰值最大可达8712V。基于调试完成的正弦高压交流电源,采用硅片作为收集基底,通过改变交流电源电压峰值或频率,进行了一系列交流电纺直写实验,并分析了射流运动及沉积规律。采用PET绝缘基底进行交流电纺直写实验,对比直流电纺实验结果,验证了交流电纺在绝缘基底上实现喷印的可行性,并初步探究了绝缘基底上微纳结构沉积规律。本文通过正弦高压交流电源的设计以及交流电纺实验的研究,初步获得了交流电纺直写的实验结果及变化规律,为进一步探究交流电纺的工作机理,提升射流喷印的稳定性及可控性,实现射流在绝缘基底上的精确定位沉积,拓展电纺的应用领域奠定了基础。
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