靜電噴霧法是利用高壓靜電使液體帶電霧化并控制液滴運(yùn)動和破碎，達(dá)到均勻噴霧效果的一種有效技術(shù)。它具有霧滴粒徑細(xì)小、分布均勻性高、運(yùn)動軌跡可控、沉積效率和附著性高等優(yōu)點(diǎn)，在微納米材料的加工、制備等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的潛力。在機(jī)械制造方面，可以利用靜電噴霧技術(shù)解決砂輪磨粒分布不均勻的問題；在生物醫(yī)學(xué)方面，利用靜電噴霧實(shí)現(xiàn)聚乳酸-羥基乙酸共聚物微球的制備，并用于運(yùn)送藥物辛伐他丁；在電化學(xué)方面，該方法能制備太陽能電池的二氧化鈦光陽極。

靜電噴霧液滴接觸荷電原理

靜電噴霧裝置主要由高壓靜電發(fā)生器、控制器、微量注射器、噴嘴電極、環(huán)形電極和接收板組成，如圖1a所示。噴嘴電極連接高壓靜電發(fā)生器的負(fù)極，環(huán)形電極接高壓靜電發(fā)生器的正極。高壓靜電發(fā)生器輸出負(fù)高壓，在噴嘴電極會產(chǎn)生大量的負(fù)電荷，同時(shí)環(huán)形電極上會感應(yīng)出正電荷。調(diào)節(jié)靜電發(fā)生器的參數(shù)，控制噴嘴電極和環(huán)形電極之間的電場強(qiáng)度。將微量注射泵固定在支架上，使用微量注射泵將溶液勻速泵送到噴嘴處。液體從噴嘴噴出時(shí)與高壓電極接觸，使電極上的電荷傳導(dǎo)到液體。帶電液體在靜電力、電荷互斥力、重力、環(huán)境復(fù)合力的作用下，破碎成細(xì)小液滴，并均勻地吸附在工件上。

靜電噴霧溶液為低導(dǎo)電率液體，接觸荷電使液體荷電最充分。電極荷電方式如圖1b所示，通電后，噴嘴電極與環(huán)形電極組成電容器的兩個(gè)極板，噴嘴電極為細(xì)長軸，帶高壓負(fù)電，環(huán)形電極接正極（或者接地）。由高斯定律可求噴嘴電極的電荷量。取半徑為r、長度為l的圓柱高斯面，則：

其中，1Eφ表示通過高斯面的電通量，q為噴嘴的帶電量，ε0為空氣介電常數(shù)，E1為噴嘴電極產(chǎn)生的電場強(qiáng)度。同理，距離圓環(huán)高度為h處的電場強(qiáng)度為：

其中，E2為環(huán)形電極產(chǎn)生的電場強(qiáng)度，R為環(huán)形電極半徑。根據(jù)電場疊加原理，噴嘴電極與環(huán)形電極之間的電勢差U12為：

其中，r0為噴嘴半徑，H為環(huán)形電極到噴嘴電極之間的垂直距離。電容C為：

電容大小與電極間的參數(shù)有關(guān)：隨電極間的電壓增大，兩電極的荷電量增加，使液體荷電量及兩極間的電場強(qiáng)度增大，靜電噴霧液體受靜電力的影響變大。另外，液體在靜電噴霧過程中還受粘滯力、慣性力、表面張力等作用。當(dāng)帶電液體向基底運(yùn)動時(shí)，運(yùn)動形態(tài)受到韋伯?dāng)?shù)We、雷諾數(shù)Re等無量綱數(shù)的影響。韋伯?dāng)?shù)We和雷諾數(shù)Re的計(jì)算如下：

其中，ρ為流體密度，vl為射流流速，ri為液滴半徑，γ為流體的表面張力系數(shù)，μ為液體運(yùn)動黏性系數(shù)。液體流速的韋伯?dāng)?shù)與液體流速的平方成正比。本實(shí)驗(yàn)將0.4 g、粒徑為25 nm的SiO2微粒均勻分散在20 mL酒精中作為靜電噴霧溶液，密度為8.61 g/cm3，表面張力為24.6 mN/m，流量為10.6 mL/h。噴嘴負(fù)電極使用精密點(diǎn)膠針頭（內(nèi)徑0.75 mm，外徑1.00 mm），環(huán)形正電極使用黃銅環(huán)（內(nèi)徑30 mm，外徑40 mm），噴嘴底部與環(huán)形電極之間的距離為10 mm。計(jì)算得到噴嘴處射流的韋伯?dāng)?shù)約為e-21，雷諾數(shù)為2e-12，慣性力和黏性力對射流的影響都很小，因此液體的運(yùn)動狀態(tài)主要受靜電力和表面張力的影響。當(dāng)液滴帶電量超過瑞利極限時(shí)，液滴將克服表面張力發(fā)生破碎。

電壓越高，液體霧化成的液滴越細(xì)小。隨著電壓的升高，液滴霧化的射流狀態(tài)大致可以分為三種：滴狀模式、錐射流模式和多股射流模式。在較小的電壓（0～3 kV）下，噴嘴處液體所受的電場力小于表面張力，噴嘴中液體以滴狀形態(tài)落下，為滴狀模式。電場力逐漸增大，噴嘴液體被拉成細(xì)長軸狀，形成連續(xù)的射流。進(jìn)一步增大電壓（如圖2a、b所示），液體在噴嘴處形成錐狀，且破碎成小霧滴，為錐射流模式，如圖2b所示，射流狀態(tài)最穩(wěn)定。

如圖2c所示，繼續(xù)增大電壓到5 kV時(shí)，噴嘴處的液體錐射流變?yōu)閮晒?。電壓達(dá)到5.6 kV時(shí)形成多股細(xì)射流，噴霧覆蓋范圍變大，即多股射流模式。多股射流的霧滴更小且噴涂范圍更大，因此符合制備具有微結(jié)構(gòu)的薄涂層實(shí)驗(yàn)要求。電壓達(dá)到6 kV時(shí)，多股射流比較穩(wěn)定，如圖2d所示。當(dāng)電壓超過8 kV后，卷吸現(xiàn)象明顯，大量霧滴向環(huán)形電極方向運(yùn)動，樣件上二氧化硅的沉積率降低。因此，后續(xù)研究中選用6 kV和7 kV兩個(gè)參數(shù)分析電壓對結(jié)構(gòu)與潤濕性能的影響。

本文揭示了靜電噴霧過程中液體接觸荷電原理及霧化機(jī)理。隨著電壓的增高，液體射流模式逐漸由滴狀模式、單股射流轉(zhuǎn)變?yōu)閮晒缮淞骱投喙缮淞?，其中多股射流狀態(tài)下的霧滴更小，覆蓋范圍較大，適合制備微結(jié)構(gòu)薄膜層。