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科研成果丨胡靓副研究员在低熔点金属的独立3D结构打印研究中取得进展

发布时间:2021-01-13 11:18   点击次数:

二维(2D)和三维(3D)的独立式金属结构可以广泛应用于包括柔性电子、生物传感器、航空航天工业及建筑等领域。过去的几十年,金属材料3D打印领域不断进步,由粉末、金属丝、薄片或墨水构建金属独立式建筑,已开发出各种技术,包括电子束熔化、定向能量沉积和选择性激光熔化等。但是,一方面,这些方法通常取决于大型且复杂的仪器,其成本高和能耗大,这对于大规模生产而言是效果不好且不经济的。另一方面,目前仅小范围的金属材料可适用于这些技术,这进一步限制了它们的应用。

镓金属(熔点为29.8°C)除了具有高导电性和良好的延展性的特性以外,其可变形机械性能可以使设备在刚性静态和柔性可重构状态之间实现可逆转换,从而可以适用于更多应用系统。而且,许多电子设备(例如电感器、电容和天线)以3D形式能够更有效地工作,因此,在周围环境中能够打印3D独立式镓结构具有很大价值,尤其是在诸如可穿戴电子设备和生物医学设备等应用中。但是,由于镓的表面张力大,它们通常在从喷嘴中挤出后形成液滴。虽然在空气中液态金属表面形成的氧化层可以在某种程度上帮助支撑良好的形状甚至独立的结构。然而,这种薄氧化层的承载能力远远不足以用于稍大的结构,例如大约几厘米高。这大大影响了打印分辨率和应用范围。而且,由于镓的过冷度大,因此需要较低的温度和更长的时间才能完全凝固,这也给制造独立的镓结构带来了挑战。

在本研究中,为了制造具有大尺寸和高分辨率的平面且独立的镓结构,提出了一种电化学诱导的嵌入式3D打印(3e-3DP)方法。并开发了一种简捷的固化方法,以有效地从支撑凝胶中转移镓结构。简言之,该方法通过喷嘴将液态镓挤出到支撑水凝胶中(下图)。利用电化学方法在液态镓表面诱导形成表面氧化层,将液态镓打印为具有相同直径而不是小液滴的连续导线。同时,借助支撑体系,可以制成各种2D和3D结构。在固化和去除支撑基质之后,固化的镓结构可以独立放置。这些镓结构具有高导电性和良好的延展性,可以无缝组装成弹性体,从而制造出柔性导体和压力传感器,进而更加灵活方便地适应各种应用。

这一成果近期发表在ACS Applied materials & Interfaces上,第一作者为北京航空航天大学博士研究生王新鹏,胡靓副教授和樊瑜波教授为共同通讯作者,北京航空航天大学生物医学工程高精尖创新中心与生物与医学工程学院为第一单位。该研究成果得到了北航生物医学工程高精尖创新中心经费、国家自然科学基金、北京市自然科学基金以及北航“青年拔尖”计划经费的大力支持。

原文链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c16438