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  • 將鎵銦合金材料“粘”在打印器件上,液態(tài)金屬或?qū)⒓ぐl(fā)3D打印領(lǐng)域新活力
  • 2021-12-03
    近日,夢(mèng)之墨液態(tài)金屬材料技術(shù)團(tuán)隊(duì),在劉靜教授的帶領(lǐng)下發(fā)現(xiàn),將具有較高黏附性的高分子涂層涂抹在3D打印器件上,可以將鎵銦合金材料“粘”在打印器件上。此外,對(duì)鎵銦合金進(jìn)行特殊處理,在降低其流動(dòng)性的同時(shí)提高黏附性,可以使其穩(wěn)定維持在立體結(jié)構(gòu)表面。同時(shí),附著在立體結(jié)構(gòu)表面的液態(tài)金屬涂層可以與周?chē)囊簯B(tài)金屬涂層形成“液橋”,從而實(shí)現(xiàn)金屬焊接的效果。這項(xiàng)研究成果相當(dāng)于為傳統(tǒng)的3D打印賦予了特定功能,在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。

    增材制造即3D打印,是一種“自下而上”通過(guò)材料累加的制造方法,從無(wú)到有。這使得過(guò)去受到傳統(tǒng)制造方式的約束,而無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造變?yōu)榭赡?,因而?/span>航空航天、文物保護(hù)、醫(yī)療健康等領(lǐng)域嶄露頭角。多功能電子器件或系統(tǒng)大多是三維立體結(jié)構(gòu),其組成單元由各種金屬或非金屬電子材料構(gòu)筑而成。傳統(tǒng)的3D打印主要基于尼龍玻纖、耐用性尼龍一類(lèi)的材料,由此打印出的物件一般并不具備電子功能。因此3D打印手段直接打印出立體終端電子產(chǎn)品,一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界無(wú)法解決的難題。

    近年來(lái),隨著液態(tài)金屬印刷電子學(xué)的發(fā)展,以低熔點(diǎn)金屬鎵為基礎(chǔ)的室溫液態(tài)金屬合金材料逐漸進(jìn)入人們視野,在柔性電子、智能機(jī)器等領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用。夢(mèng)之墨技術(shù)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事液態(tài)金屬相關(guān)研究,在基于液態(tài)金屬功能性復(fù)合材料的裝備方面有豐厚的積累。通過(guò)對(duì)液態(tài)金屬功能材料進(jìn)行改造,并結(jié)合增材制造技術(shù),夢(mèng)之墨團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種基于液態(tài)金屬功能性復(fù)合材料的快速電路印刷技術(shù),并利用此技術(shù)研發(fā)生產(chǎn)的桌面電子電路打印機(jī)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

    看到3D打印電子設(shè)備存在的局限性,劉靜教授帶領(lǐng)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)隱約意識(shí)到,在立體電子制造領(lǐng)域,液態(tài)金屬有可能發(fā)揮其獨(dú)特的作用。

    為實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想,技術(shù)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn),最終發(fā)現(xiàn)利用3D打印技術(shù)制作出一系列復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu),并在這種立體結(jié)構(gòu)表面,覆蓋對(duì)液態(tài)金屬材料具有較高黏附性的高分子涂層,然后將其浸潤(rùn)到液態(tài)金屬中,從而實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬在立體結(jié)構(gòu)表面的附著。

    △轉(zhuǎn)印上鎵銦合金的樣品

    在實(shí)驗(yàn)室中擺放著十幾種不同材質(zhì)的器件,都是轉(zhuǎn)印上鎵銦合金的樣品。其中有塑料材質(zhì)的思想者雕像、木質(zhì)的小人、聚乙烯小球、金字塔模型、菜園里摘下的葫蘆甚至各種紡織品。利用這種現(xiàn)象,將相同尺寸的立體結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行堆積組合,可以構(gòu)建出更復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)。而且,各單元之間的液態(tài)金屬涂層可形成穩(wěn)定的導(dǎo)電通路,實(shí)現(xiàn)可組裝的立體電路。比如將金字塔模型的電路接通,一排連接在鎵銦合金電路上的LED燈珠閃起了綠光。

    高分子涂層+液態(tài)金屬
    這種“高分子涂層+液態(tài)金屬”的結(jié)構(gòu)可通過(guò)適當(dāng)封裝,增強(qiáng)其穩(wěn)定性。因?yàn)橥繉雍鼙?,封裝后的鎵銦合金不僅不會(huì)泄漏和流淌,還能滿足一些柔性物品的特殊要求,在保持電子性能的同時(shí)改變形狀。如果電子設(shè)備需要一定強(qiáng)度,還可以采用不同熔點(diǎn)的液態(tài)金屬墨水,實(shí)現(xiàn)印刷后即固化。將液態(tài)金屬涂層覆蓋在柔性硅膠結(jié)構(gòu)表面,可利用液態(tài)金屬材料在不同溫度下的相變特性,實(shí)現(xiàn)立體結(jié)構(gòu)可調(diào)控的力學(xué)性能。從安全性上看,此類(lèi)材料在環(huán)境下很難蒸發(fā)。如果沒(méi)有大劑量皮膚接觸、吞咽、停留體內(nèi)等情況,使用起來(lái)是比較安全的。

    液態(tài)金屬3D打印技術(shù)將機(jī)械制造和電子制造巧妙結(jié)合在一起,制造過(guò)程便捷、成本低廉,具有較高的個(gè)性化特點(diǎn),因此有望在藝術(shù)設(shè)計(jì)、文化創(chuàng)意、消費(fèi)電子甚至大中小學(xué)電子工程教育普及方面得到廣泛應(yīng)用。除本身的電子工程學(xué)意義外,這項(xiàng)研究還為三維立體功能電子器件快速制造提供了一種重要且易于規(guī)?;占暗膶?shí)用技術(shù),該技術(shù)具有非常強(qiáng)的實(shí)用性,有望賦能3D打印行業(yè),推動(dòng)傳統(tǒng)3D打印的可持續(xù)健康發(fā)展,激發(fā)行業(yè)活力,促成其規(guī)?;瘧?yīng)用。