立体功能电子快速制造：当3D打印遇上液态金属

来源： 高分子科学前沿

功能电子器件或系统多呈三维立体结构，其组成单元则由各种金属或非金属特别是电子材料构筑而成，以增材制造手段直接层叠打印出终端立体电子一直是学术界和工业界着力追求的核心目标。众所周知，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；而经典的金属3D打印针对的是高熔点金属粉末或线材，它们与非金属材料由于存在巨大熔点差而难以实现复合打印。近年来发展起来的液态金属印刷电子学在立体电路制造上展示出很有希望的前景。

与生活中常见的固态金属材料不同，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。近年来，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的视野，在柔性电子、二维材料制备、智能机器等领域都得到广泛的研究和应用。其中，液态金属材料以其独特的性能在三维立体电路制备中显示出巨大的应用前景。然而目前大多数研究采用流道灌注的方式，将液态金属封装在三维模型中。在这些研究中，液态金属仅充当导电介质，无法展示出液态金属独特的界面性能在三维立体电路中的应用价值。

近日，来自清华大学的刘静教授团队将3D打印技术与液态金属功能材料结合，开发出一种基于液态金属选择粘附性的3D电路转印技术。在这项研究中，研究人员首先利用3D打印工艺制作出一系列的复杂立体结构，并在立体结构表面覆盖对液态金属材料具有较高粘附性的高分子涂层；之后将立体结构浸润到液态金属中，实现液态金属在立体结构表面的附着，如图1所示。

图1 在立体结构表面粘附液态金属涂层的工艺流程以及附着液态金属涂层的多种复杂立体结构

此外，该研究发现液态金属镓铟合金在室温下因受重力影响，难以稳定地附着在立体结构的表面。因此，研究人员事先对镓铟合金进行氧化处理，使其黏附性大大提升而流动性显著降低，从而可在立体结构表面维持一定的稳定性，如图2所示。

图2 液态金属材料的氧化处理和其较低的流动性

3D打印工艺制作的立体结构是由颗粒熔融堆积而成，因此具有粗糙的表面形貌。该研究发现这种粗糙的界面使得液态金属难以附着，因而需要事先覆盖一层对液态金属材料具有较高粘附性的高分子涂层，如图3所示。

图3 高分子涂层修饰前后的立体结构具有显著的界面形貌差异，导致液态金属选择性地粘附在高分子涂层区域。

基于上述原理，研究人员将高分子涂层覆盖在立体结构的特定区域，利用液态金属在不同界面上的选择粘附性，可实现立体电路的转印制备，如图4所示。

图4 在立体结构表面转印的3D电路

不同于将液态金属封装在立体结构内部的方式，附着在立体结构表面的液态金属涂层还可以与周围的液态金属涂层形成液桥，实现金属焊接的效果。利用这种现象，研究人员将相同尺寸的立体结构单元进行堆积组合，从而构建出更加复杂的立体结构。此外，单元之间的液态金属涂层可形成稳定的导电通路，从而实现可组装的立体电路，如图5所示。

图5 球形和立方体形的液态金属立体电路的堆积组装

此外，研究人员还将液态金属涂层覆盖在柔性硅胶结构表面，利用液态金属材料在不同温度下的相变特性，实现立体结构可调控的力学性能，如图6所示。最后，研究人员使用该技术将液态金属涂层粘附在多种材料表面，如图7所示。

图6 覆盖液态金属涂层的立体结构在不同温度下的可调控力学性能

图7 液态金属涂层在多种材料表面的粘附

该成果以“Spatially selective adhesion enabled transfer printing of liquid metal for 3D electronic circuits “为题发表在国际期刊Applied Materials Today，相应探索为三维立体功能电子器件的快速制造开辟了一条重要而易于规模化普及的实用技术。清华大学博士国瑞为第一作者，通讯作者为清华大学刘静教授。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.apmt.2021.101236