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 背景：近年來，具有出色的可變形性和環境適應性的柔性電子設備在軟機器人，人機接口等領域展現出了巨大的潛力。在各類柔性導電材料中，液態金屬由于其高導電性和本征可拉伸性而被廣泛使用。浙江大學機械工程學院賀永教授課題組，在硅膠及液態金屬的可打印性上做了系列探索，如提出了液態金屬/柔性材料的共生打印，通過外噴頭高粘性的硅膠與內噴頭的液態金屬時刻接觸，抑制液態金屬的擠出時的成球效應從而成功實現液態金屬3D打印（ACS AMI,2018, 10, 23208-23217）。開發了通用的多材料硅膠打印方法，首次報道了超過2000%拉伸率的高彈性硅膠能打印成形（ACS AMI,2019, 11, 23573-23583）。

摘要：受限于液態金屬大的表面張力和低的粘度，當前很難用一種簡單的方式高效、高精度的打印液態金屬，此外，液態金屬的強流動性也使得在局部破壞發生時極易產生泄漏，進而導致柔性器件的失效，這些問題嚴重限制了液態金屬基柔性電子設備的制造和應用。針對上述挑戰，課題組提出了一種獨特的液態金屬-硅膠墨水和相應的多材料3D打印工藝用以制造全打印的液態金屬基柔性電子設備。

相關工作以題為“All-Printed Flexible and Stretchable Electronics with Pressing or Freezing Activatable Liquid Metal-Silicone Inks”在Advanced Functional Materials（IF=15.621）期刊上在線發表。周璐瑜碩士生為第一作者，賀永教授為通訊作者。

這種液態金屬-硅膠墨水是一種液態金屬微滴和硅膠的濃縮混合物，具有獨特的電氣性能：初始狀態不導電，但在機械激活（按壓或冷凍）后導電。激活后的液態金屬-硅膠墨水繼承了液態金屬出色的導電性、可拉伸性和對變形靈敏的電氣響應，是一種理想的柔性導電材料。同時，該墨水還具備出色的可打印性，能夠在用簡單的擠出打印設備實現柔性電路的高速度、高精度打印。此外，由于與常用的柔性材料——硅膠具有相同的組分，液態金屬-硅膠墨水能與硅膠基底形成可靠的粘接，從而避免了局部破壞時導電材料的泄漏，提高了柔性器件的可靠性。液態金屬-硅膠墨水的這些優點使得高效、高精度的打印高度可靠的液態金屬基柔性電子器件成為了可能。

 

 

 

圖1. 液態金屬-硅膠墨水的制備和相應的多材料3D打印工藝

為了探究液態金屬-硅膠墨水的激活導電機理，我們分析了其激活前后的微觀結構變化，發現其激活過程本質上是分離的液態金屬微滴在機械力作用下的擠壓融合過程，激活后的液態金屬連接形成了一個連續的導電網絡。

 

 

 

圖2. 液態金屬-硅膠墨水的微觀結構和激活原理

為了實現高速度、高精度的打印，我們探究了打印參數對打印分辨率的影響，在相應的模型指導下，使用市售的點膠針頭就能夠超過30mm/s的速度打印線徑小于100微米的柔性電路。

 

 

 

圖3. 打印參數對液態金屬-硅膠墨水打印速度和精度的影響

同時，我們也系統研究了液態金屬-硅膠墨水的電氣性能，結果表明該墨水具有高導電性、高重復性、低滯后的優點，同時能與柔性基底形成可靠的粘接以減輕機械破壞帶來的電氣影響。

 

 

 

圖4.液態金屬-硅膠墨水的電氣性能

為了展現液態金屬-硅膠墨水的應用潛力，我們使用開發的多材料打印工藝和設備成功打印了一系列典型柔性電路，包括多層柔性電路、應變傳感器以及可以監測手指彎曲的數據手套。同時，利用液態金屬-硅膠墨水獨特的激活特性，一些有趣的應用，例如按壓/冰凍開關可以被直接制造，而不需要任何的復雜的結構設計。這些應用展現了液態金屬-硅膠墨水在柔性電子領域出色的應用潛力。

 

 

 

圖5. 使用液態金屬-硅膠墨水和相應的多材料打印工藝打印的柔性電子器件

 

 

 

圖6. 利用液態金屬-硅膠墨水獨特的激活特性制造的按壓/冰凍開關