供稿人：雷沁霖、高琳 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點實驗室 發(fā)布日期：2024-12-27
通過直接墨水書寫（Direct Ink Write, DIW）3D打印技術(shù)制造液態(tài)金屬（liquid metal, LM）是一種新興的彈性體復(fù)合材料的方法，這些材料在軟機器人、可穿戴電子設(shè)備和人機界面等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用的潛力。DIW 3D打印是一種能夠精確控制液態(tài)金屬微結(jié)構(gòu)的多功能制造技術(shù)，但多層結(jié)構(gòu)中絲狀物之間的空隙形成等挑戰(zhàn)影響了材料性能。對此，來自美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的研究團隊介紹了一種新的DIW策略，可以同時控制液態(tài)金屬微結(jié)構(gòu)和材料架構(gòu)。
研究團隊調(diào)查了三個關(guān)鍵工藝參數(shù)：噴嘴高度、擠出速度和無量綱化的噴嘴速度對液態(tài)金屬絲狀物幾何形狀的影響。結(jié)果表明，噴嘴高度和速度主要影響絲狀物的幾何形狀。噴嘴高度決定了絲狀物的縱橫比和空隙的形成。當(dāng)打印高度低于某一閾值時，表面粗糙度顯著增加；而高于該閾值時，墨水?dāng)嗔?，有助于形成具有可調(diào)剛度和可編程液態(tài)金屬微結(jié)構(gòu)的多孔結(jié)構(gòu)。與鑄造型樣品相比，這些多孔結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更低的密度和更高的熱導(dǎo)率。
為了展示這一方法的實際應(yīng)用，研究人員將這種多孔材料作為介電材料用于軟電容傳感器中，展示了其高靈敏度（應(yīng)變因子=9.0），因為介電常數(shù)隨著壓縮應(yīng)變的增加而增大。這證明了通過精確控制打印參數(shù)，可以在液態(tài)金屬彈性體復(fù)合材料中同時操作液態(tài)金屬微結(jié)構(gòu)和幾何架構(gòu)，并保持打印設(shè)計的幾何保真度。
此外，研究團隊還詳細描述了如何通過調(diào)整打印參數(shù)來控制多層結(jié)構(gòu)中的內(nèi)部缺陷和表面質(zhì)量。例如，在較低的噴嘴高度下打印，會導(dǎo)致墨水在邊緣和表面上堆積，造成樣品整體高度減少和表面粗糙度增加。而在較高的噴嘴高度下打印，則可能導(dǎo)致絲狀物之間出現(xiàn)空隙和高孔隙率，由于沉積后墨水?dāng)U散和在較高噴嘴速度和高度下的不連續(xù)性。
這項研究表明，利用DIW技術(shù)，可以通過單個噴嘴和墨水配方創(chuàng)建具有可編程孔隙率和可控液態(tài)金屬微滴微結(jié)構(gòu)的打印結(jié)構(gòu)。這種方法允許快速且靈活地控制液態(tài)金屬彈性體復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)和架構(gòu)，為軟機器人、可穿戴電子設(shè)備和人機接口等領(lǐng)域的創(chuàng)新材料、結(jié)構(gòu)和設(shè)備提供了新機會。通過優(yōu)化打印過程參數(shù)，可以實現(xiàn)從基本立方體到復(fù)雜互鎖設(shè)計的無缺陷多層結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)。
圖1 用于控制幾何結(jié)構(gòu)和 LM 微觀結(jié)構(gòu)的DIW打印