立體功能電子快速制造：當3D打印遇上液態(tài)金屬

來源： 高分子科學前沿

功能電子器件或系統(tǒng)多呈三維立體結構，其組成單元則由各種金屬或非金屬特別是電子材料構筑而成，以增材制造手段直接層疊打印出終端立體電子一直是學術界和工業(yè)界著力追求的核心目標。眾所周知，傳統(tǒng)的3D打印主要基于塑料、聚合物一類的材料，由此打印出的物件一般并不具備電子功能；而經典的金屬3D打印針對的是高熔點金屬粉末或線材，它們與非金屬材料由于存在巨大熔點差而難以實現(xiàn)復合打印。近年來發(fā)展起來的液態(tài)金屬印刷電子學在立體電路制造上展示出很有希望的前景。

與生活中常見的固態(tài)金屬材料不同，液態(tài)金屬是一類低熔點的合金材料，可以在室溫環(huán)境中保持液體形態(tài)。近年來，以低熔點金屬鎵為基礎的室溫液態(tài)金屬合金材料逐漸進入人們的視野，在柔性電子、二維材料制備、智能機器等領域都得到廣泛的研究和應用。其中，液態(tài)金屬材料以其獨特的性能在三維立體電路制備中顯示出巨大的應用前景。然而目前大多數研究采用流道灌注的方式，將液態(tài)金屬封裝在三維模型中。在這些研究中，液態(tài)金屬僅充當導電介質，無法展示出液態(tài)金屬獨特的界面性能在三維立體電路中的應用價值。

近日，來自清華大學的劉靜教授團隊將3D打印技術與液態(tài)金屬功能材料結合，開發(fā)出一種基于液態(tài)金屬選擇粘附性的3D電路轉印技術。在這項研究中，研究人員首先利用3D打印工藝制作出一系列的復雜立體結構，并在立體結構表面覆蓋對液態(tài)金屬材料具有較高粘附性的高分子涂層；之后將立體結構浸潤到液態(tài)金屬中，實現(xiàn)液態(tài)金屬在立體結構表面的附著，如圖1所示。

圖1 在立體結構表面粘附液態(tài)金屬涂層的工藝流程以及附著液態(tài)金屬涂層的多種復雜立體結構

此外，該研究發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬鎵銦合金在室溫下因受重力影響，難以穩(wěn)定地附著在立體結構的表面。因此，研究人員事先對鎵銦合金進行氧化處理，使其黏附性大大提升而流動性顯著降低，從而可在立體結構表面維持一定的穩(wěn)定性，如圖2所示。

圖2 液態(tài)金屬材料的氧化處理和其較低的流動性

3D打印工藝制作的立體結構是由顆粒熔融堆積而成，因此具有粗糙的表面形貌。該研究發(fā)現(xiàn)這種粗糙的界面使得液態(tài)金屬難以附著，因而需要事先覆蓋一層對液態(tài)金屬材料具有較高粘附性的高分子涂層，如圖3所示。

圖3 高分子涂層修飾前后的立體結構具有顯著的界面形貌差異，導致液態(tài)金屬選擇性地粘附在高分子涂層區(qū)域。

基于上述原理，研究人員將高分子涂層覆蓋在立體結構的特定區(qū)域，利用液態(tài)金屬在不同界面上的選擇粘附性，可實現(xiàn)立體電路的轉印制備，如圖4所示。

圖4 在立體結構表面轉印的3D電路

不同于將液態(tài)金屬封裝在立體結構內部的方式，附著在立體結構表面的液態(tài)金屬涂層還可以與周圍的液態(tài)金屬涂層形成液橋，實現(xiàn)金屬焊接的效果。利用這種現(xiàn)象，研究人員將相同尺寸的立體結構單元進行堆積組合，從而構建出更加復雜的立體結構。此外，單元之間的液態(tài)金屬涂層可形成穩(wěn)定的導電通路，從而實現(xiàn)可組裝的立體電路，如圖5所示。

圖5 球形和立方體形的液態(tài)金屬立體電路的堆積組裝

此外，研究人員還將液態(tài)金屬涂層覆蓋在柔性硅膠結構表面，利用液態(tài)金屬材料在不同溫度下的相變特性，實現(xiàn)立體結構可調控的力學性能，如圖6所示。最后，研究人員使用該技術將液態(tài)金屬涂層粘附在多種材料表面，如圖7所示。

圖6 覆蓋液態(tài)金屬涂層的立體結構在不同溫度下的可調控力學性能

圖7 液態(tài)金屬涂層在多種材料表面的粘附

該成果以“Spatially selective adhesion enabled transfer printing of liquid metal for 3D electronic circuits “為題發(fā)表在國際期刊Applied Materials Today，相應探索為三維立體功能電子器件的快速制造開辟了一條重要而易于規(guī)�；�普及的實用技術。清華大學博士國瑞為第一作者，通訊作者為清華大學劉靜教授。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.apmt.2021.101236