喷墨打印是以墨滴为基础，集喷射工艺、扩散沉积过程分析及计算机辅助设计于一体的先进微加工制造技术。本书立足于墨滴产生、滴落和碰撞的科学机理，系统地介绍了喷墨打印复杂过程、材料工艺等影响因素和喷墨各阶段表征方法。全书共16章，详细讨论了墨水从喷墨打印头内喷出，穿过空气然后撞击衬底并扩散，最后形成沉积物的过程；介绍了喷墨打印过程各阶段的数值仿真方法，并阐述了射流与墨滴的可视化与测量以及流体与表面表征的实验技术；最后给出了喷墨打印的一些应用和对未来喷墨打印技术的展望。
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湖北省特聘专家，中组部"青年千人计划"入选者，IEEE高级会员（2012年），2016年国家留学基金委（CSC）公派高级研究学者
目录
译者前言
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 墨滴的形成 3
1.3 表面张力和黏度 4
1.4 喷墨打印相关的无量纲组 6
1.5 喷墨打印中的长度尺度和时间尺度 7
1.6 本书结构 9
参考文献 9
第2章 喷墨打印中的流体力学 11
2.1 引言 11
2.2 流体力学 11
2.3 量纲和单位 12
2.4 流体特性 13
2.4.1 密度 13
2.4.2 黏度 13
2.4.3 表面张力 15
2.5 力、压力、速度 16
2.6 流体动力学 17
2.6.1 流体动力学方程 17
2.6.2 求解流体动力学方程 22
2.7 计算流体动力学 23
2.7.1 前处理器 24
2.7.2 求解器 25
2.7.3 后处理器 25
2.8 喷墨打印系统 26
2.8.1 喷墨建模所面临的挑战 28
2.8.2 喷墨工艺 33
2.9 本章小结 46
参考文献 47
第3章 喷墨打印头 52
3.1 热发泡式与压电式喷墨打印机 52
3.2 热发泡式喷墨 53
3.2.1 沸腾机制 53
3.2.2 打印头结构 57
3.2.3 热发泡式喷墨的喷射特性 58
3.2.4 热发泡式喷墨中压力和热量的相关问题 60
3.2.5 水性墨水中水的蒸发 62
3.3 喷墨打印的未来展望 65
3.3.1 根据喷墨特性估测打印速度限制 65
3.3.2 控制高速干燥过程引起的渗色 66
3.4 连续喷墨 68
3.5 案例及问题(热发泡式喷墨) 69
3.6 压电式喷墨打印头 71
3.6.1 引言 71
3.6.2 驱动原理 72
3.6.3 墨水流道性能 74
3.6.4 喷墨打印头的控制 76
3.6.5 工业应用 80
参考文献 81
第4章 喷墨打印中墨滴的形成 86
4.1 引言 86
4.1.1 连续喷墨打印 86
4.1.2 按需喷墨打印 87
4.2 连续喷墨打印中墨滴形成过程 88
4.2.1 瑞利-普拉托不稳定性 88
4.2.2 卫星墨滴形成机理 91
4.2.3 墨滴最终速度 92
4.3 按需喷墨打印中墨滴成形分析 94
4.4 样例 102
4.4.1 纯惯性情况下拖尾形成 102
4.4.2 瑞利-普拉托不稳定性的色散关系 103
致谢 105
参考文献 105
第5章 喷墨打印中的聚合物 107
5.1 引言 107
5.2 聚合物的定义 107
5.3 基于来源和架构的聚合物分类 107
5.4 分子量和大小 109
5.5 聚合物溶液 111
5.6 聚合物的结构和物理形态对喷墨配方性能的影响 113
5.7 高剪切环境中聚合物的齐姆解释 115
5.8 含聚合物喷墨流体的可打印性 116
5.9 高分子量聚合物喷墨打印的仿真模拟 118
5.10 按需喷墨打印中聚合物分子量的稳定性 120
5.11 连续喷墨打印中聚合物分子量的稳定性 121
5.12 按需喷墨打印中缔合聚合物分子量的稳定性 123
5.13 喷墨配方中使用聚合物的案例研究 124
5.13.1 聚合物结构的作用 124
5.13.2 聚(3,4-二氧乙基噻吩):聚(苯乙烯磺酸)的喷墨打印 124
5.13.3 石墨烯和碳纳米管复合材料的喷墨打印 125
参考文献 125
第6章 墨水配方中的胶体粒子 130
6.1 引言 130
6.2 染料墨水和颜料墨水 130
6.3 胶体稳定性 132
6.3.1 DLVO理论 132
6.3.2 范德瓦耳斯力 133
6.3.3 静电斥力 133
6.3.4 胶体分散系的稳定性 135
6.4 粒子-聚合物相互作用 136
6.4.1 空间位阻稳定作用 137
6.4.2 桥连絮凝 138
6.4.3 空缺絮凝 138
6.5 其他墨水成分对胶体相互作用的影响 139
6.5.1 表面活性剂 139
6.5.2 黏度调节剂 140
6.5.3 保湿剂 140
6.5.4 乙二醇醚 141
6.5.5 贮存液、缓冲剂和杀菌剂 141
6.5.6 其他添加剂 141
6.6 胶状分散体的特征 142
6.6.1 动态光散射 142
6.6.2 电泳迁移率(ZETA 电位) 142
6.6.3 流变 143
6.6.4 大体积胶状分散体 143
6.6.5 喷射 146
6.7 沉淀/沉降 147
6.8 本章小结 151
参考文献 152
第7章 喷墨仿真方法 156
7.1 引言 156
7.2 建模的关键考虑因素 158
7.3 一维模拟 162
7.3.1 长波近似 162
7.3.2 简单连续喷墨模型 163
7.3.3 简单连续喷墨模型的误差分析 164
7.3.4 瑞利理论对模型的验证 166
7.3.5 探索参数空间 167
7.3.6 数值实验 168
7.4 轴对称模拟 169
7.4.1 连续喷墨 170
7.4.2 按需喷墨 172
7.5 三维模拟 176
参考文献 178
第8章 衬底上的墨滴 181
8.1 引言 181
8.2 牛顿液滴撞击可润湿表面的实验观测 183
8.2.1 初始速度对墨滴撞击和扩散的影响 185
8.2.2 表面润湿性对墨滴撞击和扩散的影响 187
8.2.3 流体特性对墨滴撞击和扩散的影响 189
8.3 量纲分析：白金汉 π 定理 190
8.4 墨滴撞击动力学：最大扩散直径 192
8.4.1 黏性耗散主导表面张力 194
8.4.2 扁平煎饼模型 194
8.4.3 动能完全转化为表面能 195
参考文献 198
第9章 墨滴聚结和线条的形成 200
9.1 墨滴聚结对打印图像成形的影响 200
9.2 墨滴聚结对功能材料和 3D 打印的影响 201
9.3 喷墨打印墨滴的聚结 202
9.3.1 表面上液滴的聚结 202
9.3.2 墨滴碰撞后聚结 206
9.3.3 喷墨打印墨滴的聚结 210
9.4 打印二维特征和线条 215
9.4.1 墨滴-液珠聚结模型 216
9.4.2 实验和观察 217
9.4.3 稳定体系和讨论 223
9.4.4 结论 226
9.5 本章小结 227
9.6 思考题 228
参考文献 228
第10章 液滴在衬底表面的干燥过程 231
10.1 引言 231
10.2 单一溶剂的蒸发 232
10.3 混合溶剂的蒸发 238
10.3.1 二元溶剂混合物的蒸发与拉乌尔定律 238
10.3.2 马兰戈尼流 239
10.4 液滴干燥过程中的颗粒输运 242
10.4.1 咖啡环效应 242
10.4.2 颗粒迁移 246
10.5 复杂流体的干燥 246
10.5.1 接触线的运动 246
10.5.2 颗粒特征 248
10.5.3 固体的分离 249
10.5.4 局部环境 250
10.5.5 衬底图案化 251
10.5.6 干燥过程中胶体的不稳定性 251
10.6 思考题 252
参考文献 252
第11章 衬底表面墨滴的模拟 259
11.1 引言 259
11.2 基于连续体的液滴动力学建模 259
11.2.1 有限元分析 260
11.2.2 自由表面的有限元边界条件 261
11.2.3 移动接触线问题 261
11.2.4 流体体积法 264
11.3 接触角现象 265
11.3.1 表观接触角 265
11.3.2 接触角滞后 266
11.3.3 动态接触角 267
11.3.4 数值模拟中的动态接触角 269
11.3.5 弛豫时间效应 270
11.4 扩散界面模型 270
11.5 液滴动力学的格子玻尔兹曼模拟 272
11.5.1 方法的背景和优点 272
11.5.2 多相流和润湿 275
11.5.3 捕获接触角滞后 277
11.5.4 粗糙表面 280
11.5.5 化学性质不均匀表面 281
11.6 本章小结 282
致谢 283
参考文献 283
第12章 可视化与测量 288
12.1 引言 288
12.2 墨滴和射流的基本成像 289
12.3 频闪照明 291
12.4 全息技术 294
12.5 共聚焦显微镜 298
12.6 图像分析 303
参考文献 308
第13章 喷墨流体特征 311
13.1 引言 311
13.2 油墨性能对打印头和喷射效果的影响 312
13.3 喷墨流体的流变学特性 312
13.3.1 基础黏度 313
13.3.2 黏弹性 316
13.4 喷墨流体线性黏弹性的测量 318
13.5 喷墨流体拉伸性能的测量 321
13.6 喷墨流变学特性与打印头性能的关系 325
13.7 本章小结 329
致谢 330
参考文献 330
第14章 衬底表面表征 333
14.1 引言 333
14.2 确定表征需求的流程图 334
14.2.1 预喷表面质量 334
14.2.2 液滴撞击行为 340
14.2.3 功能传递 343
14.2.4 最终功能化表面 345
14.2.5 长期表现 346
14.3 表面表征技术 346
14.3.1 表面化学分析 347
14.3.2 表面机械测试 352
14.3.3 表面电学分析 354
14.3.4 光学分析 355
14.3.5 生物分析 357
14.4 本章小结 358
14.5 思考题 358
参考文献 358
第15章 喷墨打印的应用 361
15.1 引言 361
15.2 二维图文打印 361
15.3 3D 打印 363
15.4 无机材料打印 366
15.4.1 金属墨水 366
15.4.2 陶瓷墨水 367
15.4.3 量子点 368
15.5 有机材料打印 369
15.6 生物材料打印 372
15.6.1 用于分析和传感的生物大分子 372
15.6.2 用于组织工程的生物大分子 373
参考文献 375
第16章 喷墨技术的发展方向 381
16.1 引言 381
16.2 作为输送装置的喷墨打印头 381
16.3 喷墨打印技术的局限性 382
16.4 当前的主流技术和局限性 386
16.4.1 热发泡式按需喷墨打印 386
16.4.2 压电式按需喷墨打印 388
16.5 当前其他技术 388
16.5.1 连续喷墨打印 389
16.5.2 静电式按需喷墨打印 389
16.5.3 声波喷墨技术 389
16.6 喷墨打印的新兴科学与技术 391
16.6.1 Stream 喷墨技术 391
16.6.2 打印头制造技术 392
16.6.3 弯张式喷墨打印装置 394
16.6.4 Tonejet 技术 395
16.6.5 墨水再循环 395
16.6.6 间接喷墨打印 396
16.6.7 宽幅面印刷 397
16.6.8 故障检测 397
16.7 打印头制造的未来发展趋势 398
16.8 未来对喷墨打印的要求和方向 399
16.8.1 用于非图文的打印头定制 399
16.8.2 降低对墨水性质的要求 399
16.8.3 更高的墨水黏度 400
16.8.4 更高的稳定性和可靠性 400
16.8.5 对墨滴体积的要求 400
16.8.6 更低的成本 401
16.9 本章小结 401
参考文献 402
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