DOI:10.1016/j.matdes.2020.109304

为了实现高纵横比三维（3D）静电纺丝，设计了一种具有尖端导向电极的静电纺丝装置，通过提高电场强度，将纳米纤维逐层引导至指定路径。这种设置有助于在稳定的电荷转移过程中沉积纳米纤维，并克服电干扰。通过电流体动力学过程的聚合物射流已被用于直写有序的3D结构，其纵横比（高度/宽度）高达25，适用于各种图案，例如矩形网格和五角星。实验结果表明，所沉积的纳米纤维可以形成高纵横比的3D结构，纳米纤维直径均匀，位置精度高于1.5μm。

图1.带尖端电极的实验装置和带电射流的沉积行为。（a）系统设置。（b）尖端电极的电荷转移行为。（c）带电射流进行鞭状运动以形成螺旋结构的序列图像，PEO溶液浓度、施加电压、喷丝头与收集器之间的距离分别为10wt％、1.5kV和2mm。（d）沉积行为表明喷丝头和尖端电极之间的位移误差偏移量，PEO溶液浓度、施加电压、喷丝头与收集器之间的距离分别为10wt％、2kV和4mm。

图2.直写式3D结构示意图。（a）具有不同纳米纤维层的线型。（b）多层矩形网格图案。

图3.尖端导向沉积。（a）无尖端电极的电场模拟。（b）有尖端电极的电场模拟。（c）无尖端引导下沉积纳米纤维。（d）在尖端引导下沉积纳米纤维。放大倍数为×200，PEO溶液浓度、施加电压、收集器运动速度、喷丝头与收集器之间的距离分别为10wt％、2kV、25mm/s和4mm。

图4.在不同的收集器速度下多层纳米纤维沉积的形态：（a）15mm/s，（b）20mm/s，（c）25mm/s。放大倍数为×1000，PEO溶液浓度、施加电压、喷丝头与收集器之间的距离分别为10wt％、2kV和4mm。

图5.工艺参数对5层纳米纤维纤维壁宽度的影响。（a）纤维壁宽度和收集器运动速度的关系，其PEO溶液浓度、施加电压、喷丝头与收集器之间的距离分别为10wt％、2kV和4mm。（b）纤维壁宽度和施加电压之间的关系。PEO溶液浓度、收集器运动速度、喷丝头与收集器之间的距离分别为10wt％、25mm/s和4mm。

图6.用60层纳米纤维制成的3D结构的SEM图像：（a），（b）垂直视图，（c），（d）侧面视图。放大倍数为（a）×100，（b）×300，（c）×1000和（d）×4000，其中PEO溶液浓度、施加电压、收集器运动速度、喷丝头与收集器之间的距离分别为10wt％、2kV、25mm/s和4mm。

图7.由20层纳米纤维沉积的3D矩形网格图案：（a）3D纳米纤维矩形网格的整体视图，（b）单个纳米纤维网格的放大图像，（c）有序3D纳米纤维的侧视图，（d）交点处的放大图像，其中PEO溶液浓度、收集器运动速度、施加电压、喷丝头与收集器之间的距离分别为10wt％、25mm/s、2kV和4mm。

图8.由10层纳米纤维制成的3D五角星：（a）五角星的总体视图；（b），（c）印刷结构的放大图；（d），（e）交点处纳米纤维的近视图；（f）侧视图，PEO溶液浓度、收集器运动速度、施加电压、喷丝头与收集器之间的距离分别为10wt％、25mm/s、2kV和4mm。