供稿人：曲满强、贺健康 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：2022-12-26
透明玻璃加热器(TGHs)是目前应用最广泛的高档玻璃产品之一，在汽车车窗、航天电子和其他民用设备实现除霜除冰有着重要作用。虽然氧化铟锡(ITO)是一种商业上广泛应用的透明电极，在透明电加热领域占据了市场，但是由于铟的稀缺性、毒性温和以及严格的加工条件都阻碍了其在TGHs领域的进一步应用。目前替代ITO的材料主要有碳基材料、金属纳米线(NWs)、导电聚合物 (如Poly(3,4-乙烯二氧噻吩)/ Poly(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)等)、透明金属薄膜、金属网格复合的透明导电薄膜等。然而，这些材料对于高性能TGHs具有固有的局限性。例如，碳基材料、金属纳米线和导电聚合物都面临着电导率和透光率难以同时提高的矛盾，这就限制了低成本、低片电阻、高透光率的高性能TGHs的生产。此外，它们的均匀性低，材料成本高，与基材的附着力差，这使得它们难以在恶劣的环境中长时间使用。透明金属薄膜导电表面均匀，但透光率较低，仍需真空溅射等制造工艺金属网因其优良的电学和光学性能，被认为是最具前景的下一代材料。通过改变网格的线宽、线间距、纵横比和排列方式，可以有效地调节金属网格的透射率和电阻之间的平衡。然而，低成本、简单、绿色制造具有良好光电性能、机械性能和环境适应性的金属网TGHs仍然是一个挑战。
针对上述问题，青岛理工大学机械与汽车工程学院兰红波教授团队提出了一种基于液体牺牲基板电场驱动微尺度3D打印制备高性能TGHs的方法。首先将一层薄薄的液体材料旋涂在玻璃基板上，然后利用液体牺牲基板电场驱动微尺度3D打印技术将银浆材料直接打印到液体薄膜基板上。最后通过后续的后处理得到银网线宽度、间距和厚度分别为35μm、1000μm和12.3 μ m的最佳参数的银导线阵列。这是目前第一次研究液态膜基板上的电场驱动喷射印刷的技术，这为电场驱动喷射印刷技术带来了广阔的研究领域。采用液态聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为印刷基板，实现了厚膜银浆料在玻璃基板上的高分辨率印刷。该方法的最大优点是巧妙地引入了液体牺牲材料，实现了高分辨率银网在玻璃基板上的直接打印。
图1a是 TGHs制造过程示意图。图1b是液体牺牲基板电场驱动微尺度3D打印原理图。图1c是LS-EFD微尺度3D打印的电场分布和强度模拟结果。图1d-g是高速相机捕捉到的泰勒锥形成和打印过程。图1h是TGHs的宏观图像。图1i是玻璃基板上银导线的SEM图像。图1j是图1i部分放大的SEM图。图1k为 2.5 V电压下饱和温度分布图
图2是检测TGHs的光电子性能、力学稳定性及环境适应性。（图a）不同间距银网在可见光范围内(银线宽度为35µm，间距为500 ~ 2000µm)的透射率。（图b）不同间距银导线的电阻。（图c）不同线宽银网在可见光范围内的光学透过率。（图d）不同线宽银网片电阻的变化。（图e）最高温度与每平方厘米面积输入功率的函数关系。（图f）550 nm波长下不同导电材料透明电极的透射率和电阻比较。（图g）3M透明胶带粘附试验次数与电阻变化关系图) （图h）银网在30 kHz，400 W，40℃，300 min的超声波检测下对电阻变化的影响。（图i）化学腐蚀对银网阻值变化的影响。
如图3a所示，在不同的电压下，温度最终会达到一个饱和值，对应的热响应时间约为120 s。图3b显示了不同直流电压下的温度分布图像，显示出了银网的均匀性和优良的加热性能。令人惊讶的是，在2.5 V直流电压下，最高温度可达226°C。在面积为30 × 40 mm、厚度为5 mm的冰块上进行除冰试验，进一步验证TGHs的性能，如图3c所示。经过80秒后，背景图像上的内容开始出现，在180秒后，冰块完全融化。
值得注意的是，这种直接印刷策略避免了繁琐的制造过程，并提供了一种成本效益高的制造方法，用于在玻璃基板上直接印刷厚膜银浆料。与不使用液体牺牲材料直接在玻璃基板上印刷银导线相比，我们的方法不仅可以减小印刷线条的宽度，还可以增加线条的宽度比。在电加热除冰、海水淡化等方面取得了良好的应用效果。更重要的是，液体PDMS不仅可以作为牺牲材料，还可以作为金属网载体，制造嵌入金属网的柔性透明电极，具有良好的应用前景。