双光子灰度光刻技术革新航天器推进器制造

近期德国Justus Liebig University的Fynn L. Kunze课题组在Journal of Electric Propulsion上发表了关于一种利用Nanoscribe3D微纳加工技术制造微型毛细管式电喷雾推进器的方法。

电喷雾推进器（Electrospray thrusters）是一种静电推进器，通过使用静电场从液体推进剂中提取离子或液滴来工作。由于具有可扩展性、精确的推力和脉冲比特以及使用液体或半固体推进剂等优点，它们成为微型和纳米卫星以及商业应用的理想选择。

然而，电喷雾推进器的研究也面临着许多难点和痛点。

制造工艺的挑战：微型电喷雾推进器的制造需要高精度和高分辨率的制造工艺，这对于传统的制造方法来说是一个挑战。

材料选择：推进器的材料需要在太空的恶劣环境下保持稳定，同时具有良好的导电性和耐腐蚀性。

推进剂管理：推进剂的供应和管理是电喷雾推进器的一个关键问题。推进剂需要在真空环境下稳定地供应到发射器，同时避免泄漏和污染。

性能优化：电喷雾推进器的性能受到多种因素的影响，包括发射器的几何形状、电极的设计、推进剂的性质以及工作电压等。优化这些参数以获得最佳性能是一个复杂的问题。

为了解决这些问题，本文提出了一种创新的方法，利用Nanoscribe双光子光刻技术进行微型毛细管式电喷雾推进器的增材制造。双光子光刻（Two-photon lithography）是一种增材制造工艺，利用双光子相互作用引发光敏树脂中的化学反应。与传统的微机械制造技术（如微加工或蚀刻）相比，双光子光刻在形状和结构的可能性方面受到的限制明显更少，可以制造出具有高纵横比（宽度与高度比）的结构，这对毛细管式发射器的设计非常重要。

在毛细管式发射器的设计中，一个主要的挑战是毛细管的流体阻力。如果发射器的阻力不足，它们很容易溢出或产生大液滴而不是精细的离子喷雾。为了增加流体阻力，本文提出了一种增加毛细管纵横比的解决方案。作者还介绍了毛细管式发射器的设计，并讨论了影响流体阻力的因素，如毛细管的半径和长度。

在本文中，作者使用了IP-Q光刻胶作为发射器结构的基础材料。IP-Q光刻胶具有与SU-8相当的机械和化学性能，并且在微流体应用中表现相似。与SU-8相比，使用IP-Q的一个优点是工艺时间显著缩短，这是由于使用了10倍物镜而不是之前使用的20倍物镜。然而，更高的打印速度是以增加体素尺寸为代价的。

本文还提出了一种用于发射器阵列的集成提取电极的全新模块化设计。将电极集成到发射器设计中具有许多优点，例如提高发射器孔与电极之间的对准精度，从而减少截获的离子电流。3D打印电极进一步减少了制造误差。这些误差可能导致发射器提取行为的差异，因为发射器与电极相互作用。紧凑的设计本身是另一个优点，因为集成的电极需要更少的支撑材料。3D光刻方法确保了多个提取电极在尺寸和形状上几乎相同，并提供了高度的灵活性，可以以任何期望的方式调整电极的设计。

最后，作者展示了发射器操作和原位观察的光学图像和视频以及发射数据。在所有实验中，电极接地，然后向离子液体1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（EMIM-BF4）施加正或负高压。

本文的工作通过Nanoscribe双光子聚合原理微纳3D打印完成，全新双光子灰度光刻技术将微纳增材制造和超高速体素大小调节结合在一起：双光子灰度光刻(2GL)是一种全新的具有超高速、超精确的可以满足自由形态的微加工技术，同时又不影响速度和精度。

Nanoscribe 3D微纳加工系统海具备A2PL®对准双光子光刻技术，可实现在光纤和光子芯片上的纳米级精确对准。3D printing by 2GL®在实现优异的打印质量同时兼顾打印速度，适用于微光学制造和光子封装领域。

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