液態(tài)金屬“粘”在立體器件上

近日，夢之墨液態(tài)金屬材料技術(shù)團隊，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，對鎵銦合金進(jìn)行特殊處理，在降低其流動性的同時提高黏附性，可以使其穩(wěn)定維持在立體結(jié)構(gòu)表面。同時，附著在立體結(jié)構(gòu)表面的液態(tài)金屬涂層可以與周圍的液態(tài)金屬涂層形成“液橋”，從而實現(xiàn)金屬焊接的效果。這項研究成果相當(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”通過材料累加的制造方法，從無到有。這使得過去受到傳統(tǒng)制造方式的約束，而無法實現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造變?yōu)榭赡埽蚨诤娇蘸教臁⑽奈锉Ｗo(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)界無法解決的難題。

夢之墨液態(tài)金屬團隊深入研究

近年來，隨著液態(tài)金屬印刷電子學(xué)的發(fā)展，以低熔點金屬鎵為基礎(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、智能機器等領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用。夢之墨技術(shù)團隊長期從事液態(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。通過對液態(tài)金屬功能材料進(jìn)行改造，并結(jié)合增材制造技術(shù)，夢之墨團隊開發(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已實現(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)團隊隱約意識到，在立體電子制造領(lǐng)域，液態(tài)金屬有可能發(fā)揮其獨特的作用。

為實現(xiàn)這一構(gòu)想，技術(shù)團隊經(jīng)過多次實驗，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，然后將其浸潤到液態(tài)金屬中，從而實現(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

在實驗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)可通過適當(dāng)封裝，增強其穩(wěn)定性。因為涂層很薄，封裝后的鎵銦合金不僅不會泄漏和流淌，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改變形狀。如果電子設(shè)備需要一定強度，還可以采用不同熔點的液態(tài)金屬墨水，實現(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，此類材料在環(huán)境下很難蒸發(fā)。如果沒有大劑量皮膚接觸、吞咽、停留體內(nèi)等情況，使用起來是比較安全的。

液態(tài)金屬3D打印技術(shù)將機械制造和電子制造巧妙結(jié)合在一起，制造過程便捷、成本低廉，具有較高的個性化特點，因此有望在藝術(shù)設(shè)計、文化創(chuàng)意、消費電子甚至大中小學(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)模化普及的實用技術(shù)，該技術(shù)具有非常強的實用性，有望賦能3D打印行業(yè)，推動傳統(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)模化應(yīng)用。