AFM:液态金属-硅胶墨水实现柔性电子的全打印制造

75 All-Printed Flexible and Stretchable Electronics with Pressing or Freezing Ac.pdf

背景：近年来，具有出色的可变形性和环境适应性的柔性电子设备在软机器人，人机接口等领域展现出了巨大的潜力。在各类柔性导电材料中，液态金属由于其高导电性和本征可拉伸性而被广泛使用。浙江大学机械工程学院贺永教授课题组，在硅胶及液态金属的可打印性上做了系列探索，如提出了液态金属/柔性材料的共生打印，通过外喷头高粘性的硅胶与内喷头的液态金属时刻接触，抑制液态金属的挤出时的成球效应从而成功实现液态金属3D打印（ACS AMI, 2018, 10, 23208-23217）。开发了通用的多材料硅胶打印方法，首次报道了超过2000%拉伸率的高弹性硅胶能打印成形（ACS AMI, 2019, 11, 23573-23583）。

摘要：受限于液态金属大的表面张力和低的粘度，当前很难用一种简单的方式高效、高精度的打印液态金属，此外，液态金属的强流动性也使得在局部破坏发生时极易产生泄漏，进而导致柔性器件的失效，这些问题严重限制了液态金属基柔性电子设备的制造和应用。针对上述挑战，课题组提出了一种独特的液态金属-硅胶墨水和相应的多材料3D打印工艺用以制造全打印的液态金属基柔性电子设备。

相关工作以题为“All-Printed Flexible and Stretchable Electronics with Pressing or Freezing Activatable Liquid Metal-Silicone Inks”在Advanced Functional Materials（IF=15.621）期刊上在线发表。周璐瑜硕士生为第一作者，贺永教授为通讯作者。https://doi.org/10.1002/adfm.201906683

这种液态金属-硅胶墨水是一种液态金属微滴和硅胶的浓缩混合物，具有独特的电气性能：初始状态不导电，但在机械激活（按压或冷冻）后导电。激活后的液态金属-硅胶墨水继承了液态金属出色的导电性、可拉伸性和对变形灵敏的电气响应，是一种理想的柔性导电材料。同时，该墨水还具备出色的可打印性，能够在用简单的挤出打印设备实现柔性电路的高速度、高精度打印。此外，由于与常用的柔性材料——硅胶具有相同的组分，液态金属-硅胶墨水能与硅胶基底形成可靠的粘接，从而避免了局部破坏时导电材料的泄漏，提高了柔性器件的可靠性。液态金属-硅胶墨水的这些优点使得高效、高精度的打印高度可靠的液态金属基柔性电子器件成为了可能。

图1. 液态金属-硅胶墨水的制备和相应的多材料3D打印工艺

为了探究液态金属-硅胶墨水的激活导电机理，我们分析了其激活前后的微观结构变化，发现其激活过程本质上是分离的液态金属微滴在机械力作用下的挤压融合过程，激活后的液态金属连接形成了一个连续的导电网络。

图2. 液态金属-硅胶墨水的微观结构和激活原理

  为了实现高速度、高精度的打印，我们探究了打印参数对打印分辨率的影响，在相应的模型指导下，使用市售的点胶针头就能够超过30mm/s的速度打印线径小于100微米的柔性电路。

图3. 打印参数对液态金属-硅胶墨水打印速度和精度的影响

   同时，我们也系统研究了液态金属-硅胶墨水的电气性能，结果表明该墨水具有高导电性、高重复性、低滞后的优点，同时能与柔性基底形成可靠的粘接以减轻机械破坏带来的电气影响。

图4.液态金属-硅胶墨水的电气性能

  为了展现液态金属-硅胶墨水的应用潜力，我们使用开发的多材料打印工艺和设备成功打印了一系列典型柔性电路，包括多层柔性电路、应变传感器以及可以监测手指弯曲的数据手套。同时，利用液态金属-硅胶墨水独特的激活特性，一些有趣的应用，例如按压/冰冻开关可以被直接制造，而不需要任何的复杂的结构设计。这些应用展现了液态金属-硅胶墨水在柔性电子领域出色的应用潜力。

图5. 使用液态金属-硅胶墨水和相应的多材料打印工艺打印的柔性电子器件

图6. 利用液态金属-硅胶墨水独特的激活特性制造的按压/冰冻开关