液态金属与3D打印“来电了”

作者: 张双虎

来源: 中国科学报

发布日期: 2021-11-22 08:35:13

清华大学刘静团队通过结合液态金属与3D打印技术,开发出一种新的3D电路转印技术,解决了传统3D打印结构件不具备电子功能的问题,相关研究发表于《今日应用材料》。

在清华大学医学微系统技术实验室宽大的操作台上,摆放着两个大烧杯,其中一个盛着乳白色的高分子涂料——PMA glue,另一个装满泛着银光的液态金属镓铟合金。实验人员操作机械臂,将尼龙材质的东方明珠塔模型缓缓浸入高分子涂料中,之后再缓缓提起,随后,又用同样的手法将模型放进镓铟合金中再拿出。前后约15秒钟,东方明珠塔模型就身披银装,完成了一次液态金属“墨水”的3D打印过程。

以往的塑料或聚合物类3D打印结构件不具备电子功能,因而无法满足现实中对某些特殊功能的需求。通过对液态金属功能材料进行改造,并结合3D打印技术,刘静团队开发出一种基于液态金属选择黏附性的3D电路转印技术。相关研究近日发表于《今日应用材料》。

增材制造即3D打印,不需要传统工具及繁琐的加工程序,就能完美解决复杂零件加工成型的问题,因而在航空航天、文物保护、医疗健康等领域崭露头角。

多功能电子器件或系统大多是三维立体结构,其组成单元由各种金属或非金属电子材料构筑而成。而以3D打印手段直接层叠式打印出立体终端电子产品,一直是学术界和工业界无法解决的难题。传统的3D打印主要基于塑料、聚合物一类的材料,由此打印出的物件一般并不具备电子功能。

近年来,随着液态金属印刷电子学的发展,以低熔点金属镓为基础的室温液态金属合金材料逐渐进入人们视野,在柔性电子、二维材料制备、智能机器等领域得到广泛研究和应用。

液态金属是一类低熔点的合金材料,可以在室温环境中保持液体形态。虽然液态金属有可能在三维立体电路制备中大显身手,但目前大多数工艺采用“流道灌注”方式,将液态金属封装在三维模型中。

研究人员在实验中发现,用于3D打印的液态金属——镓铟合金在室温下受重力影响,难以稳定地附着在立体结构表面。要想在实际中应用该技术必须让液态金属在3D打印时能稳定地“站起来”。经过多次实验,研究人员发现,事先将具有较高黏附性的高分子涂层涂抹在3D打印器件上,就可以将镓铟合金材料“粘”在打印器件上。

液态金属3D打印技术将机械制造和电子制造巧妙结合在一起,制造过程便捷、成本低廉,具有较高的个性化特点,因此有望在艺术设计、文化创意、消费电子甚至大中小学电子工程教育普及方面得到广泛应用。该技术具有非常强的实用性,有望赋能3D打印行业,推动传统3D打印的可持续健康发展,激发行业活力,促成其规模化应用。

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