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賀永:柔性電子的全3D打印制造

http://www.b2b.hc360.com 中國金屬加工網 信息來源:Author發布時間:2019年12月20日瀏覽:1619

論文第一作者:周璐瑜;

論文通訊作者:賀永

通訊作者單位:浙江大學機械工程學院

推薦人:李浩然(化學系教授)

近年來,具有出色的可變形性和環境適應性的柔性電子設備在軟機器人,人機接口等領域展現出了巨大的潛力。在各類柔性導電材料中,液態金屬由于其高導電性和本征可拉伸性而被廣泛使用。

受限于液態金屬大的表面張力和低的粘度,當前很難用一種簡單的方式高效、高精度的打印液態金屬,此外,液態金屬的強流動性也使得在局部破壞發生時極易產生泄漏,進而導致柔性器件的失效,這些問題嚴重限制了液態金屬基柔性電子設備的制造和應用。

圖:液態金屬-硅膠墨水的制備和相應的多材料3D打印工藝

課題組一直在思考如何在保持液態金屬優異特性基礎上解決這些應用瓶頸。我們猜測將液態金屬變成能與柔性基底產生粘接的混合物是否能解決這些問題,開始近兩年的液態金屬-硅膠墨水的研究,然而在反復試驗后,盡管配置的墨水的確能夠與硅膠基底產生粘接,但是和我們預設相反的是它打印出來后幾乎不導電,這讓我們的研究停滯不前,甚至一度打算放棄。

后來我們決定搞清楚不導電的原因,通過深入分析液態金屬-硅膠墨水的微觀結構,發現其分散后的液態金屬微滴被硅膠阻隔,不能夠手拉手實現導電,而令人興奮的是,因為液態金屬具有流動性,只要液態金屬微滴之間的距離足夠近,它們之間的阻隔就能被機械力破壞從而連接導電!但是如何拉近它們之間的距離呢?如果只是簡單的混合,液態金屬含量太低了就無法激活,液態金屬含量太高就無法有效分散。那么將低濃度的混合物濃縮不就可以解決這個問題了嗎?在嘗試之后,我們發現在離心濃縮之后液態金屬微滴的確緊緊地擠在了一起,在固化后用手輕輕一壓,就能導電!就這樣,幾番波折我們才找到這種方案,能夠同時解決液態金屬難打印和易泄露的局限性。

圖:使用液態金屬-硅膠墨水和相應的多材料打印工藝打印的柔性電子器件

研究亮點

針對上述挑戰,課題組發明了一種獨特的液態金屬-硅膠墨水,相應的多材料3D打印工藝可以制造全打印的液態金屬基柔性電子設備。
這種液態金屬-硅膠墨水是一種液態金屬微滴和硅膠的濃縮混合物,具有獨特的電氣性能:初始狀態不導電,但在機械激活(按壓或冷凍)后導電。激活后的液態金屬-硅膠墨水繼承了液態金屬出色的導電性、可拉伸性和對變形靈敏的電氣響應,是一種理想的柔性導電材料。同時,該墨水還具備出色的可打印性,能夠在用簡單的擠出打印設備實現柔性電路的高速度、高精度打印。此外,由于與常用的柔性材料——硅膠具有相同的組分,液態金屬-硅膠墨水能與硅膠基底形成可靠的粘接,從而避免了局部破壞時導電材料的泄漏,提高了柔性器件的可靠性。液態金屬-硅膠墨水的這些優點使得高效、高精度的打印高度可靠的液態金屬基柔性電子器件成為了可能。

 
圖:利用液態金屬-硅膠墨水獨特的激活特性制造的按壓/冰凍開關

通過特殊的墨水設計及多材料打印工藝解決了液態金屬難以打印,液態金屬易泄漏的難題,實現了基底及電路全部采用3D打印一次性成形。
本研究來自于課題組在3D打印領域長時間的積累及對細節的刨根問底。課題組自2016年布局可穿戴設備這一領域,希望從制造層面解決一些瓶頸問題。17年針對液態金屬難以直接打印,我們提出了液態金屬/柔性材料的共生打印,通過外噴頭高粘性的硅膠與內噴頭的液態金屬時刻接觸,抑制液態金屬的擠出時的成球效應從而成功實現液態金屬3D打印(ACS applied materials & interfaces, 2018, 10(27): 23208-23217;3D Printing and Additive Manufacturing, 2018, 5(3): 195-203.)。18年針對大部分硅膠材料不具有可打印性能,我們提出了一種通用的多材料硅膠打印策略,首次報道了超過2000%拉伸率的高彈性硅膠能打印成形(ACS applied materials & interfaces, 2019, 11, 23573-23583)。

液態金屬流動性強極容易招致電路中的液態金屬易泄露,一旦泄露柔性電子就會失效,課題組一直在思考如何在保持液態金屬優異特性基礎上解決這一應用瓶頸。我們猜測將液態金屬變成混合物是否能解決這個問題,開始近兩年的液態金屬-硅膠墨水的研究,然而和我們預設相反的是配置的墨水打印出來后幾乎不導電,一度要放棄這一研究。后來我們決定搞清楚不導電的原因,通過深入分析液態金屬-硅膠墨水的微觀結構,發現其分散后的液態金屬微滴被硅膠阻隔,不能夠手拉手實現導電,這才提出了用機械力破壞硅膠的包裹,實現液態金屬連通的柔性電路激活方法。

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