【文章概述】

众所周知，3D打印被认为是进入下一个工业革命的重要标志，非常适合3D电子的发展。传统的3D打印材料主要基于塑料、聚合物类，打印出的物件一般并不具备电子功能，经典的金属3D打印面临着高熔点金属粉末或线材，由于巨大熔点差别，很难与非金属进行复合打印。近几年来，液态金属因其独特的性能有望解决这一问题，在三维立体电路制备中有巨大的应用前景。但是目前大多数研究采用流道灌注的方式，仅使用液态金属作为三维通道的填充材料，大大削弱了液态金属的界面功能。无法展示出液态金属在三维立体电路中独特的界面性能的应用价值。因此降低3D电子产品的制造成本和制造时间仍然是其广泛应用面临的最大挑战之一。

【成果简介】

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进行结合，开发出一种简单、实用、快速的基于3D打印和液态金属油墨的空间选择性粘附机制的多功能3D电子电路制造策略。该方法适用于具有不同力学性能和材料类型的三维结构。基于液态金属的三维电子电路由于具有相变和接触焊接特性，具有良好的刚度变异性和可装配性，在制造复杂柔性三维电子系统、可重构4D电子系统和变刚度机器人方面具有广阔的前景。该材料符合奇材馆理念，后续开发值得期待！

【图文导图】

图1液态金属三维电路的制作方案。

(a)简要说明3D转移打印的整个过程。

(b)利用选择性激光烧结(SLS)、多喷流熔融(MJF)和血清光刻外观(SLA)制备三维结构。

 (c)用液态金属3D转移打印技术制作的一系列复杂的3D导电结构照片。

图2  EGaIn和O-EGaIn的力学性能和化学成分表征。

(a) O-EGaIn的制备方法。

(b)重力对O-EGaIn和EGaIn的影响的示意图和照片。

(c) EGaIn和O-EGaIn液滴冲击过程中的序列图像。

(d) EGaIn和O-EGaIn的EDS映射的元素分布。

(e) EGaIn和O-EGaIn表面Ca、In和O的原子比。

图3三维基材和PMA涂层的表面和附着力表征。

(a) O-EGaIn液滴在3D基片和PMA涂层上的接触角。

(b) 推拉试验中O-EGaIn在3D基板和PMA涂层上的位置曲线。

(c) 用刷子将PMA胶打印到3D打印棒的不同位置，O-EGaIn只粘附在涂有PMA胶的目标区域。

(d)四种3D基板样品印刷PMA胶前后的SEM图像。

(e) I SLA打印光聚合物和PMA涂层的三维表面轮廓结构。

(e) II三维基底三维表面轮廓(黑线)和PMA涂层(红线)中心的两条轮廓曲线。

(e) III两条剖面曲线在三维表面剖面结构中的位置。

(f) 表面粗糙度对O-EGaIn附着力影响示意图。

(g) O-EGaIn与PMA涂层之间氢键示意图。

图4 O-EGaIn 3D电子器件的电气性能。

(a) 采用完全覆盖O-EGaIn的复杂三维网格结构连接电子元件。

(b) 在立方体和方形金字塔表面制备O-EGaIn电子。

(c) 不同宽度的O-EGaIn线在三维结构上的电阻。

(d) O-EGaIn线的三维表面轮廓结构。

(e) 三维表面轮廓中心的轮廓曲线。

(f) 三维天线测得的频率相关反射系数。

(g) 三维网格电子在不同应变下的相对电阻曲线。

图5用于可重构三维电子器件的O-EGaIn涂层液桥。

（a）两个球之间液态金属桥的示意图和照片。

（b）许多液体桥连接球形成一个连续的导电路径连接LED灯。

（c）由多个球组合而成的复杂平面和三维结构。

（d）漂浮在水面上的3D电子设备。

（e）由一些SLA印刷立方体框架组装不同3D导电结构。

（f）通过组装3D导电结构连接LED灯。

图6 O-EGaIn涂层固液转变的表征及应用。

(a) O-EGaIn 涂层在25和4 ℃时的应力应变曲线。

(b) 具有O-EGaIn涂层的六边形结构刚度变化的演示。

(c) 显示覆盖有O-EGaIn涂层的SLA 打印连杆结构的刚度变化。

  (d) 使用气动执行器和连杆结构的爬行机器人的应用演示。

(e) 这种方法在生活中各种常见物品上制造3D电子产品的普遍性。

【奇材馆点评】

综上所述，研究者为我们报道了一种基于OEGaIn在三维基底材料与PMA涂层之间的空间选择粘附机制的三维电子制造方案。揭示了基体表面粗糙度和界面化学作用对选择性粘附机理的影响。可以通过几种常见的3D打印方法在各种3D打印材料上使用它来制造复杂的导电结构，该技术可用于开发基于O-EGaIn涂层相变和接触焊接的可重构3D电子器件和可逆刚度机器人。在未来，人们可以通过微立体光刻3D打印来发展微3D电子技术。总体而言，基于液态金属的3D电子器件的快速制造为未来社会构建3D功能器件提供新的机遇。

【论文信息】

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