静电喷雾法是利用高压静电使液体带电雾化并控制液滴运动和破碎，达到均匀喷雾效果的一种有效技术。它具有雾滴粒径细小、分布均匀性高、运动轨迹可控、沉积效率和附着性高等优点，在微纳米材料的加工、制备等领域表现出巨大的潜力。在机械制造方面，可以利用静电喷雾技术解决砂轮磨粒分布不均匀的问题；在生物医学方面，利用静电喷雾实现聚乳酸-羟基乙酸共聚物微球的制备，并用于运送药物辛伐他丁；在电化学方面，该方法能制备太阳能电池的二氧化钛光阳极。

静电喷雾液滴接触荷电原理

静电喷雾装置主要由高压静电发生器、控制器、微量注射器、喷嘴电极、环形电极和接收板组成，如图1a所示。喷嘴电极连接高压静电发生器的负极，环形电极接高压静电发生器的正极。高压静电发生器输出负高压，在喷嘴电极会产生大量的负电荷，同时环形电极上会感应出正电荷。调节静电发生器的参数，控制喷嘴电极和环形电极之间的电场强度。将微量注射泵固定在支架上，使用微量注射泵将溶液匀速泵送到喷嘴处。液体从喷嘴喷出时与高压电极接触，使电极上的电荷传导到液体。带电液体在静电力、电荷互斥力、重力、环境复合力的作用下，破碎成细小液滴，并均匀地吸附在工件上。

静电喷雾溶液为低导电率液体，接触荷电使液体荷电最充分。电极荷电方式如图1b所示，通电后，喷嘴电极与环形电极组成电容器的两个极板，喷嘴电极为细长轴，带高压负电，环形电极接正极（或者接地）。由高斯定律可求喷嘴电极的电荷量。取半径为r、长度为l的圆柱高斯面，则：

其中，1Eφ表示通过高斯面的电通量，q为喷嘴的带电量，ε0为空气介电常数，E1为喷嘴电极产生的电场强度。同理，距离圆环高度为h处的电场强度为：

其中，E2为环形电极产生的电场强度，R为环形电极半径。根据电场叠加原理，喷嘴电极与环形电极之间的电势差U12为：

其中，r0为喷嘴半径，H为环形电极到喷嘴电极之间的垂直距离。电容C为：

电容大小与电极间的参数有关：随电极间的电压增大，两电极的荷电量增加，使液体荷电量及两极间的电场强度增大，静电喷雾液体受静电力的影响变大。另外，液体在静电喷雾过程中还受粘滞力、惯性力、表面张力等作用。当带电液体向基底运动时，运动形态受到韦伯数We、雷诺数Re等无量纲数的影响。韦伯数We和雷诺数Re的计算如下：

其中，ρ为流体密度，vl为射流流速，ri为液滴半径，γ为流体的表面张力系数，μ为液体运动黏性系数。液体流速的韦伯数与液体流速的平方成正比。本实验将0.4 g、粒径为25 nm的SiO2微粒均匀分散在20 mL酒精中作为静电喷雾溶液，密度为8.61 g/cm3，表面张力为24.6 mN/m，流量为10.6 mL/h。喷嘴负电极使用精密点胶针头（内径0.75 mm，外径1.00 mm），环形正电极使用黄铜环（内径30 mm，外径40 mm），喷嘴底部与环形电极之间的距离为10 mm。计算得到喷嘴处射流的韦伯数约为e-21，雷诺数为2e-12，惯性力和黏性力对射流的影响都很小，因此液体的运动状态主要受静电力和表面张力的影响。当液滴带电量超过瑞利极限时，液滴将克服表面张力发生破碎。

电压越高，液体雾化成的液滴越细小。随着电压的升高，液滴雾化的射流状态大致可以分为三种：滴状模式、锥射流模式和多股射流模式。在较小的电压（0～3 kV）下，喷嘴处液体所受的电场力小于表面张力，喷嘴中液体以滴状形态落下，为滴状模式。电场力逐渐增大，喷嘴液体被拉成细长轴状，形成连续的射流。进一步增大电压（如图2a、b所示），液体在喷嘴处形成锥状，且破碎成小雾滴，为锥射流模式，如图2b所示，射流状态最稳定。

如图2c所示，继续增大电压到5 kV时，喷嘴处的液体锥射流变为两股。电压达到5.6 kV时形成多股细射流，喷雾覆盖范围变大，即多股射流模式。多股射流的雾滴更小且喷涂范围更大，因此符合制备具有微结构的薄涂层实验要求。电压达到6 kV时，多股射流比较稳定，如图2d所示。当电压超过8 kV后，卷吸现象明显，大量雾滴向环形电极方向运动，样件上二氧化硅的沉积率降低。因此，后续研究中选用6 kV和7 kV两个参数分析电压对结构与润湿性能的影响。

本文揭示了静电喷雾过程中液体接触荷电原理及雾化机理。随着电压的增高，液体射流模式逐渐由滴状模式、单股射流转变为两股射流和多股射流，其中多股射流状态下的雾滴更小，覆盖范围较大，适合制备微结构薄膜层。