供稿人：雷沁霖、高琳 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2024-12-27
通过直接墨水书写（Direct Ink Write, DIW）3D打印技术制造液态金属（liquid metal, LM）是一种新兴的弹性体复合材料的方法，这些材料在软机器人、可穿戴电子设备和人机界面等领域有着广泛应用的潜力。DIW 3D打印是一种能够精确控制液态金属微结构的多功能制造技术，但多层结构中丝状物之间的空隙形成等挑战影响了材料性能。对此，来自美国内布拉斯加大学林肯分校的研究团队介绍了一种新的DIW策略，可以同时控制液态金属微结构和材料架构。
研究团队调查了三个关键工艺参数：喷嘴高度、挤出速度和无量纲化的喷嘴速度对液态金属丝状物几何形状的影响。结果表明，喷嘴高度和速度主要影响丝状物的几何形状。喷嘴高度决定了丝状物的纵横比和空隙的形成。当打印高度低于某一阈值时，表面粗糙度显著增加；而高于该阈值时，墨水断裂，有助于形成具有可调刚度和可编程液态金属微结构的多孔结构。与铸造型样品相比，这些多孔结构表现出更低的密度和更高的热导率。
为了展示这一方法的实际应用，研究人员将这种多孔材料作为介电材料用于软电容传感器中，展示了其高灵敏度（应变因子=9.0），因为介电常数随着压缩应变的增加而增大。这证明了通过精确控制打印参数，可以在液态金属弹性体复合材料中同时操作液态金属微结构和几何架构，并保持打印设计的几何保真度。
此外，研究团队还详细描述了如何通过调整打印参数来控制多层结构中的内部缺陷和表面质量。例如，在较低的喷嘴高度下打印，会导致墨水在边缘和表面上堆积，造成样品整体高度减少和表面粗糙度增加。而在较高的喷嘴高度下打印，则可能导致丝状物之间出现空隙和高孔隙率，由于沉积后墨水扩散和在较高喷嘴速度和高度下的不连续性。
这项研究表明，利用DIW技术，可以通过单个喷嘴和墨水配方创建具有可编程孔隙率和可控液态金属微滴微结构的打印结构。这种方法允许快速且灵活地控制液态金属弹性体复合材料的微结构和架构，为软机器人、可穿戴电子设备和人机接口等领域的创新材料、结构和设备提供了新机会。通过优化打印过程参数，可以实现从基本立方体到复杂互锁设计的无缺陷多层结构的生产。
图1 用于控制几何结构和 LM 微观结构的DIW打印