供稿人：梁拓，高琳 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2022-10-30
浙江大学机械工程学院研究团队研究了一种悬浮打印策略，用于将基于 galinstan 的液态金属直接沉积到具有高形状保真度和空间分辨率（~150 μm）的 3D 悬空结构中。丙烯酰胺/纳米粘土悬浮液作为屈服应力流体支撑浴，选择过氧化氢立即氧化镓皮并强化挤出的液态金属，从而成功沉积连续的液态金属细丝。之后丙烯酰胺/纳米粘土的光固化用作弹性外包装，可以使液态金属-水凝胶复合材料产生约 500% 的拉伸变形。
图1 在 AAm/纳米粘土支撑槽中打印液态金属悬空结构的机理
研究团队分别确定了过氧化氢浓度、打印条件对于打印结果质量的影响规律，确定了最优的条件参数。最终选择1.33% 过氧化氢浓度，使用24号喷嘴，打印速度为100 mm/min，挤出流量为0.040 mL/ min以高保真度打印出如图2c所示的连续、均匀的折线/波浪形/弧形轮廓。
图2 打印条件参数对于打印质量的影响
将液态金属打印成具有连续长丝的复杂 3D 结构的能力是液态金属在柔性电子设备中进一步应用的关键，因此该研究团队分别打印了圆形螺旋结构和沙漏结构说明了这种方法在打印 3D 悬空结构中的可靠性。之后将印刷结构连接到带有发光二极管 (LED) 的电路以验证它们的导电性，所有 LED 的光都成功地显示了印刷液体金属在支撑槽中的高导电性。因此，这些示例证实了悬浮 3D 打印方法在使用液态金属制造宏观 3D 悬浮电路中的可行性和灵活性。
图3 聚丙烯酰胺/纳米粘土水凝胶中三种液态金属电路结构的拉伸试验示意图以及在不同拉伸应变下打印正弦波液态金属的工作状态
PAAm/纳米粘土水凝胶优异的变形能力（拉伸应变高达 1400%）和液态金属的电学特性赋予液态金属-水凝胶混合物以感知大的重复变形的能力。此外，具有螺旋结构的液态金属-水凝胶电子器件被用作柔性谐振传感器，可以精确监测-50%压缩应变至50%拉伸应变范围内的变形。印刷在 PAAm/纳米粘土水凝胶中的液态金属线圈产生 10 mV 的电压，该电压是通过移动磁铁通过电磁耦合感应产生的，有望用作电磁发电机。