AFM综述：液态金属3D打印：进展与挑战

Adv Funct Materials - 2022 - Zou - 3D Printing of Liquid Metals  Recent Advancem.pdf

柔性电子(Flexible Electronics, FEs)由于具有优异的变形、弯曲和拉伸性能，在许多领域得到了迅速发展。室温镓基液态金属(Liquid Metals, LMs)具有优异的导电性和固有的柔韧性，被认为是制备FEs的理想导电材料。然而，由于LMs的高表面张力和流动性，其可打印性较差，这给LMs的3D打印带来了巨大的挑战。本综述主要聚焦以下几个方面：1)如何改善LMs的可打印性及其与基材的润湿性；2)如何选择合适的打印方法来提高打印速度并保证打印结构的分辨率；3)如何为基于液态金属的FEs提供完美的封装。综述简要介绍了LMs的主流打印技术和3D打印技术的最新进展，重点介绍了LMs打印方法的选择、可打印性的改善、封装和导电性的激活。然后，介绍了LMs在3D打印中所发生的革命性变化。最后，对这一蓬勃发展学科的未来发展方向进行了展望。

相关综述论文“3D printing of liquid metals: recent advancements and challenges”近期在线发表于杂志Advanced Functional Materials上，贵州理工学院邹中妃副教授为第一作者，浙江大学贺永教授和贵州大学李家春教授为共同通讯作者。

图1. 液态金属3D打印的挑战、材料特性、主流打印方法及应用

1.     液态金属传统图案化方法

与传统的硬质合金不同，LMs由于其流动性，可以通过许多方式进行图案化，例如掩膜沉积、丝网印刷、凹版印刷以及微流道注射等（图2）。然而，由于工艺复杂、制造周期长等问题，传统制造方法在实际生产和应用中存在较大困难。

图2. LMS的常规图案化方法

2.     液态金属3D打印技术

目前，3D打印被认为是液态金属基柔性电子产品的主流制造方法，主要包括基于材料挤出的3D打印（图3）、物理场辅助3D打印（图4）和外部辅助3D打印（图5）。

图3. 基于材料挤出的3D打印原理图：（A）直写打印；（B）同轴打印

图4. 物理场辅助3D打印原理图：（A）电场辅助打印；（B）磁场辅助打印；（C）声场打印

图5. 外部辅助3D打印原理图（A）激光诱导打印；（B）悬浮打印；（C）冷冻辅助打印

3.     液态金属后处理

液态金属的后处理主要包括封装和导电激活。由于LMs的低粘度和类流体特性，柔性电子设备非常容易出现泄漏问题。此外，直接打印出来的柔性部件最初是不导电的，需要采用一定的方式对其导电性进行激活处理。目前常用的有激光、热烧结、机械按压和低温冷冻等方式（图6）。

图6. 液态金属导电激活原理示意图

4.     LMs在柔性电子中的应用

（1）储能和发电。对于柔性可穿戴设备，电源必须能够变形和拉伸以适应反复的人体运动，如关节弯曲和伸展。

图7. 液态金属3D打印用于储能和发电

（2）可穿戴医疗保健。可穿戴医疗传感器可用于通过接收和发送不同的物理和生理信号来监测人体的实时健康。由于其特殊的物理和化学特性，LMs已成为可穿戴医疗传感器的绝佳选择。

图8. 液态金属3D打印用于可穿戴医疗保健

（3）柔性显示

图9. 液态金属3D打印用于柔性显示器

（4）人机交互

图10. 液态金属3D打印用于人机交互

（5）电子皮肤。电子皮肤是一种尖端的人机界面技术，在肿瘤治疗、生物传感器和健康监测方面具有巨大的潜力。

图11. 液态金属3D打印用于电子皮肤

最后，对液态金属3D打印未来的发展进行了详细的阐述，并提出开发多功能LMs集成制造系统是推动柔性电子发展的一个重要方向。未来将追求的是更系统、更深入、更紧迫的探索，结合先进的制造技术、优化的材料体系以及智能的软件助力液态金属 3D打印的发展。

图12. 液态金属3D打印的未来发展

全文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202213312