[0003] 本发明为了克服上述纳米拱形结构制造技术的不足，发明一种制备纳米拱形结构的电射流打印装置及方法。首先利用基于电流体动力效应的电射流打印方法在衬底上制备出纳米拱形结构的三维支撑结构，接着利用获得的纳米尺度电喷射流在三维支撑结构上打印纳米线，打印过程中借助具有高能量的激光束辐照射流以改变物化性质，同时激光束辐照附着在三维支撑结构上表面的纳米线，使纳米线固化成型，最后利用激光束热解去除三维支撑结构，得到纳米拱形结构。具有控制灵活、加工周期短、成本低、材料适应性广等特点。
[0004] 本发明采取的技术方案是：
[0005] 一种制备纳米拱形结构的电射流打印装置，该装置利用该方法利用电流体动力效应聚焦形成的不同尺度射流，借助激光束辐照加热射流、辐照固化纳米结构，制备出自下而上依次为衬底‑三维支撑结构‑纳米线的三明治结构，利用激光束热解去除三维支撑结构，部分长度的纳米线位于衬底上方，即获得纳米拱形结构。首先利用微纳米尺度射流在衬底上构筑出纳米拱形结构的三维支撑结构，借助高能量激光束辐照射流，获得利于打印的溶液物化性质，接着更换打印溶液，通过调节电射流打印工艺参数获得纳米尺度射流，纳米尺度射流飞落到三维支撑结构表面上形成纳米线，借助激光束固化成型纳米线，三维支撑结构上方是纳米线下方是衬底，最后利用激光束热解去除三维支撑结构，获得纳米拱形结构。
[0006] 该装置包括电射流打印模块和激光辐照/热解模块；所述的电射流打印模块包括X‑Y运动平台、衬底、高压电源、精密注射泵、精密注射器、纳米拱形结构溶液、连接管路、喷针导电夹具、Z运动轴、亚微米/纳米尺度喷针、纳米尺度射流、三维支撑结构溶液、微米喷针和微纳米尺度射流；所述的衬底固定在X‑Y运动平台；所述的精密注射器放置在精密注射泵上方，精密注射器吸取一定体积的三维支撑结构溶液并通过连接管路将其输送至微米喷针内，微米喷针固定在喷针导电夹具上，喷针导电夹具安装在Z运动轴；所述的高压电源通过喷针导电夹具向微米喷针施加高电压，此时微米喷针与衬底之间形成电场力，三维支撑结构溶液在电场力、重力、溶液表面张力等复合作用下于微米喷针出口处形成微纳米尺度射流；所述的纳米拱形结构溶液被输送至亚微米/纳米尺度喷针内，通过调节打印参数，在亚微米/纳米尺度喷针出口处形成纳米尺度射流。
[0007] 所述的激光辐照/热解模块包括相机、机器手臂控制系统、机器手臂、激光器、激光束、三维支撑结构、纳米线、纳米拱形结构；所述的机器手臂控制系统控制机器手臂的运动，进而控制激光束的运动；所述的激光器发出激光束始终辐照微纳米尺度射流，并使射流发生有利打印‑成型的变化，经激光束辐照后的微纳米尺度射流累积，最终在衬底上打印出三维支撑结构；所述的纳米尺度射流在喷射过程中也受到激光束的辐照，并使射流发生有利打印‑成型的变化，经激光束辐照后的纳米尺度射流飞落至三维支撑结构表面上形成纳米线，纳米线受到激光束辐照并固化成型；所述的激光束热解去除三维支撑结构，纳米线与衬底之间存在与三维支撑结构同尺寸的间隙，进而得到纳米拱形结构；所述的相机观测打印过程中微纳米尺度射流(纳米尺度射流)的射流行为，根据观测到的射流行为调节相应溶液的打印参数，以保证射流的稳定性，同时相机还用于观测激光束与射流、纳米线的重合度，根据观测结果，通过调节机器手臂控制系统改变机械手臂的运动路径，以保证激光束的辐照/热解作用。
[0008] 进一步，所述的高压电源在打印过程中根据相机的观测结果调节纳米拱形结构溶液、三维支撑结构溶液的打印电压；所述的精密注射泵在打印过程中根据相机的观测结果调节纳米拱形结构溶液、三维支撑结构溶液的输送速度。
[0009] 进一步，所述的X‑Y运动平台、Z运动轴根据相机观测结果及打印结构特征调节运动参数。
[0010] 进一步，所述的三维支撑结构还可采用UV‑LIGA、机械加工、刻蚀、电铸等方法制备；所述的去除三维支撑结构还可采用热解、机械剥离、刻蚀等方法。
[0011] 进一步，所述的三维支撑结构特征与纳米拱形结构特征相关，根据纳米拱形结构的尺寸、形貌等结构特征设计三维支撑结构的尺寸、形貌等结构特征。
[0012] 进一步，所述的三维支撑结构的制备、纳米尺度射流的直径、纳米线的固化成型、三维支撑结构的去除等共同影响纳米拱形结构的尺寸、形貌等结构特征。
[0013] 进一步，所述的激光束用于辐照纳米尺度射流(微纳米尺度射流)、固化纳米线及热解去除三维支撑结构的参数是不同的；激光束的参数与三维支撑结构、纳米拱形结构的材料属性和结构特征相关。
[0014] 为解决上述技术问题，本发明还提供一种制备纳米拱形结构的电射流打印方法，采用上述的打印装置进行实施，其方法步骤具体如下：
[0015] 第一步，打印纳米拱形结构的三维支撑结构
[0016] 首先将衬底固定到X‑Y运动平台上，精密注射器固定在精密注射泵上，精密注射器抽取一定量的三维支撑结构溶液，精密注射器通过连接管路将三维支撑结构溶液输送至微米喷针内，微米喷针固定在喷针导电夹具上，喷针导电夹具固定在Z运动轴上，高压电源通过喷针导电夹具向微米喷针施加适量高电压，此时，在微米喷针与衬底之间形成强电场力，被输送到微米喷针内的三维支撑结构溶液在电场力、重力、溶液表面张力等复合作用下在喷孔处形成微纳米尺度射流；可产生激光束的激光器固定在机器手臂上，机器手臂控制系统控制机器手臂的运动，具有高能量的激光束辐照喷射中的微纳米尺度射流，微纳米尺度射流中的三维支撑结构溶液受到激光束辐照后会发生物化性质的变化，如溶剂蒸发‑溶液粘度增大‑射流尺寸减小的连续变化，根据上位机中编写的三维支撑结构打印程序，经激光束辐照后的微纳米尺度射流层层累积，最终在衬底上打印出三维支撑结构。相机实时观测打印过程中微纳米尺度射流的射流行为，根据观测到的射流行为调节三维支撑结构溶液的打印参数，以保证微纳米尺度射流的稳定性，同时相机还用于观测激光束与微纳米尺度射流的重合度，根据观测结果，通过调节机器手臂控制系统改变机械手臂的运动路径，以保证激光束始终辐照微纳米尺度射流。
[0017] 第二步，在三维支撑结构上打印纳米线
[0018] 精密注射器抽取一定量的纳米拱形结构溶液，并将其输送至亚微米/纳米尺度喷针内，亚微米/纳米尺度喷针固定在喷针导电夹具上，高压电源通过喷针导电夹具向亚微米/纳米尺度喷针施加适量高电压，此时，在亚微米/纳米尺度喷针与三维支撑结构之间形成强电场力，亚微米/纳米尺度喷针内的纳米拱形结构溶液在多力复合作用下于喷孔处形成远小于喷针内径的纳米尺度射流；激光束辐照喷射中的纳米尺度射流，纳米尺度射流受到激光束辐照后会发生利于打印‑固化成型的系列变化，具有一定速度的纳米尺度射流飞落至三维支撑结构表面上，形成纳米线，激光束辐照纳米线，以辅助纳米线固化成型。此时，三维支撑结构上方是纳米线，下方是衬底，三者形成了“三明治”结构。相机实时观测打印过程中纳米尺度射流的射流行为，根据观测到的射流行为调节纳米拱形结构溶液的打印参数，以保证纳米尺度射流的稳定性，同时相机还用于观测激光束与纳米尺度射流的重合度，根据观测结果，通过调节机器手臂控制系统改变机械手臂的运动路径，以保证激光束始终辐照纳米尺度射流。
[0019] 第三步，去除三维支撑结构，获得纳米拱形结构
[0020] 三维支撑结构上方的纳米线在激光束辐照下固化成型，调节激光束的能量、尺寸、扫描速度等参数热解去除三维支撑结构，纳米线与衬底间会产生同三维支撑结构等尺寸的间隙，固化成型的纳米线在空间内形成了可自支撑的纳米拱形结构。
[0021] 本发明的有益效果为：利用电射流打印装置及方法实现纳米拱形结构的制造，采用不同溶液及与不同尺寸的射流先在衬底上打印出三维支撑结构，再在三维支撑结构上打印出纳米线，同时借助激光束的能量辐照射流和固化结构，接着利用激光束热解去除三维支撑结构，使纳米线与衬底之间存在与三维支撑结构同尺寸的间隙，以获得纳米拱形结构。电射流打印方法制造纳米拱形结构具有工艺简单、加工周期短、成本低等优点，为基于纳米拱形结构为核心单元的高性能纳米器件的大面积、快速制造提供有效手段。
附图说明：
[0022] 图1是本发明实施例中的纳米拱形结构打印装置示意图。
[0023] 图2是本发明实施例中的打印三维支撑结构的示意图。
[0024] 图3去除三维支撑结构获得纳米拱形结构的示意图。
[0025] 图中：1 X‑Y运动平台、2衬底、3相机、4高压电源、5精密注射泵、6精密注射器、7纳米拱形结构溶液、8连接管路、9喷针导电夹具、10 Z运动轴、11亚微米/纳米尺度喷针、12纳米尺度射流、13机器手臂控制系统、14机器手臂、15激光器、16激光束、17三维支撑结构、18纳米线、19三维支撑结构溶液、20微米喷针、21微纳米尺度射流、22纳米拱形结构。
