供稿人：梁拓，高琳 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2022-10-30
浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)研究了一種懸浮打印策略，用于將基于 galinstan 的液態(tài)金屬直接沉積到具有高形狀保真度和空間分辨率（~150 μm）的 3D 懸空結(jié)構(gòu)中。丙烯酰胺/納米粘土懸浮液作為屈服應(yīng)力流體支撐浴，選擇過氧化氫立即氧化鎵皮并強(qiáng)化擠出的液態(tài)金屬，從而成功沉積連續(xù)的液態(tài)金屬細(xì)絲。之后丙烯酰胺/納米粘土的光固化用作彈性外包裝，可以使液態(tài)金屬-水凝膠復(fù)合材料產(chǎn)生約 500% 的拉伸變形。
圖1 在 AAm/納米粘土支撐槽中打印液態(tài)金屬懸空結(jié)構(gòu)的機(jī)理
研究團(tuán)隊(duì)分別確定了過氧化氫濃度、打印條件對(duì)于打印結(jié)果質(zhì)量的影響規(guī)律，確定了最優(yōu)的條件參數(shù)。最終選擇1.33% 過氧化氫濃度，使用24號(hào)噴嘴，打印速度為100 mm/min，擠出流量為0.040 mL/ min以高保真度打印出如圖2c所示的連續(xù)、均勻的折線/波浪形/弧形輪廓。
圖2 打印條件參數(shù)對(duì)于打印質(zhì)量的影響
將液態(tài)金屬打印成具有連續(xù)長(zhǎng)絲的復(fù)雜 3D 結(jié)構(gòu)的能力是液態(tài)金屬在柔性電子設(shè)備中進(jìn)一步應(yīng)用的關(guān)鍵，因此該研究團(tuán)隊(duì)分別打印了圓形螺旋結(jié)構(gòu)和沙漏結(jié)構(gòu)說明了這種方法在打印 3D 懸空結(jié)構(gòu)中的可靠性。之后將印刷結(jié)構(gòu)連接到帶有發(fā)光二極管 (LED) 的電路以驗(yàn)證它們的導(dǎo)電性，所有 LED 的光都成功地顯示了印刷液體金屬在支撐槽中的高導(dǎo)電性。因此，這些示例證實(shí)了懸浮 3D 打印方法在使用液態(tài)金屬制造宏觀 3D 懸浮電路中的可行性和靈活性。
圖3 聚丙烯酰胺/納米粘土水凝膠中三種液態(tài)金屬電路結(jié)構(gòu)的拉伸試驗(yàn)示意圖以及在不同拉伸應(yīng)變下打印正弦波液態(tài)金屬的工作狀態(tài)
PAAm/納米粘土水凝膠優(yōu)異的變形能力（拉伸應(yīng)變高達(dá) 1400%）和液態(tài)金屬的電學(xué)特性賦予液態(tài)金屬-水凝膠混合物以感知大的重復(fù)變形的能力。此外，具有螺旋結(jié)構(gòu)的液態(tài)金屬-水凝膠電子器件被用作柔性諧振傳感器，可以精確監(jiān)測(cè)-50%壓縮應(yīng)變至50%拉伸應(yīng)變范圍內(nèi)的變形。印刷在 PAAm/納米粘土水凝膠中的液態(tài)金屬線圈產(chǎn)生 10 mV 的電壓，該電壓是通過移動(dòng)磁鐵通過電磁耦合感應(yīng)產(chǎn)生的，有望用作電磁發(fā)電機(jī)。