理化所提出液相3D打印等功能器件液态金属快速制造技术

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近期，中国科学院理化技术研究所低温生物与医学科研团队，在多年液态金属研究工作的基础上，相继在液相 3D 金属打印及功能电子器件快速制造领域取得系列新进展，多项工作先后以封面文章形式发表于知名刊物，并在国内外引起重要反响。
　　众所周知，金属3D打印是当今增材制造领域的难点和制高点，由于存在技术瓶颈以及受成本制约，现有装备一般限于工业级应用，尚无法实现大众化和普及化。迄今，前人所发展的金属3D打印主要集中于高熔点金属上，通常借助高温熔融成型或激光粉末烧结的方式来实现增材制造，一般采用空气冷却，但在这种加工模式下的目标部件降温凝固速度慢，打印耗时长，成品制造成本高。为此，理化所团队提出了一种有别于传统的液相3D金属打印方法，用以在室温下快速制造导电金属器件。相应研究以封面文章形式发表于Science China Technological Sciences（Wang and Liu, Vol. 57, pp. 1721, 2014），并被选为热点论文；随即，这项工作在国际上引起广泛关注，相继被phys.org, asianscientist, eurekalert, nanowerk, softpedia, spacedaily, 3ders, facebook网站等六十多个英文媒体和专业网站报道或评介。

　　在题为《采用低熔点合金墨水快速制造导电金属器件的液相3D打印方法》(Liquid phase 3D printing for quickly manufacturing conductive metal objects with low melting point alloy ink)的研究论文中，作者们首次提出了在液相冷却环境中实现3D打印的学术思想，采用研制的新一代金属墨水，直接在水、酒精等几类溶液中制造出了三维金属构件。与常规的空冷方式相比，液相冷却打印对金属熔融液滴具有降温成型速度快，且能避免或有效减少空气对金属的氧化等优点。这种方法突破了传统3D打印的固有技术范畴，可望在今后的功能器件快速制造领域发挥作用。

　　同时，针对传统3D打印难以兼顾金属及普通墨水在熔点上的巨大差异而难以耦合打印组装的不足，研究小组还探索了不同功能材料的相容性和可同时打印性，由此发展了一种旨在直接制造终端功能器件的3D机电混合打印技术，相应研究在线发表于Science China Technological Sciences (Wang and Liu, Vol. 57, doi:10.1007/s11431-014-5657-3, 2014)。在题为《用于直接制造终端功能器件的金属与非金属墨水相容性混合3D打印》（Compatible hybrid 3D printing of metal and nonmetal inks for direct manufacture of end functional devices）的论文中，作者们首次证实了采用低熔点金属墨水（用作制造电子部件）和非金属墨水（用作制造支撑或绝缘封装基底）交替打印和组装功能器件的可行性，通过对材料热流体特性和导电性的对比测试，阐明了不同熔点范围墨水的可混合打印性和匹配特点，并具体结合一个LED发光设备的制造展示了相应的打印和组装过程。迄今，传统3D打印中的导电金属与非导体墨水(如聚合物)，由于在熔点上相差数百度甚至近1000°C，难以适时混合打印，这长期成为业界的重大技术挑战。理化所的上述工作开启了一条混合打印的新方向，未来还可发展出更多相容材料和墨水类别，从而使终端功能器件的全程自动制造和组装成为可能。从这种意义上讲，这一技术相当于电子器件的多墨水“彩色打印”。可以预见的是，在未来的3D打印技术中，混合打印将成为必然方向之一。

　　除了金属3D打印外，理化所团队还推进了其之前建立的液态金属印刷电子学技术。考虑到室温金属墨水在打印出电路后，若封装不及时，会因处于液态而易于被涂抹，该团队为此探索了一种实现固化电路打印的方法。他们引入了一种熔点高于室温（约58.3℃）的铋基合金打印墨水，揭示了该墨水与多种基底材料之间的黏附性问题，研制了对应的加热打印头，基于前期研发的液态金属打印机（Zheng et al., Scientific Reports, vol.4, pp. 4588, 20142014），直接打印出了固态电路。在这种方法中，由熔融金属墨水打印成的精细电路在空气的冷却下会迅速凝固，由此形成电子图案和功能器件，加工十分方便，特别是，这一工艺实现的固态电路较之液态电路易于回收。相应研究在线发表于Proceedings of The Royal Society A (Wang and Liu, Printing low melting point alloy ink to directly make solidified circuit or functional device with heating pen, online press, 2014)，并被选为封面文章。

　　总的说来，液态金属印刷电子学正逐步向纵深发展，展示了日益重要的应用价值。为探明这一崭新技术在制造消费电子方面的应用特点，该团队着手考察了系列典型功能器件的直接打印和组装问题。在发表于Circuit World的一篇题为《利用液态金属打印机在用户终端直接打印和组装调频收音机》（Yang and Liu, Direct printing and assembly of FM radio at the user end via liquid metal printer, Circuit World, online press, 2014）的论文中，研究小组演示了调频收音机的打印、组装及应用过程，获得了相应频段广播信号的接收。与此同时，考虑到液态金属印刷电子学在快速制造能量捕获器上的发展潜力，研究小组提出了基于液态金属电子墨水的可印刷式热电发生器概念，并研制了对应的集成器件，特别以镓-康铜热电偶及镓-镓铟合金热电偶为代表，系统评估了采用液态金属直写方式制作液-固、液-液两类组合模式的热电堆的热电性能，并筛选出合适的配对材料；通过将20对镓-康铜热电偶加以集成并优化，所形成的热电发生器输出电压经放大后达到1.70V，功率达742.9μW，可驱动LED灯。这些基础和应用实验证明了液态金属直写式热电发生器的实用价值。相应论文发表于《中国科学E辑》（李海燕等，基于液态金属的可印刷式热电发生器及其性能评估, Vol.44，pp. 407, 2014）。特别地，鉴于液态金属印刷电子墨水材料日益增长的重要性，研究小组还应邀在一篇文章中对此进行了评述（王磊，刘静，液态金属印刷电子墨水研究进展，影像科学与光化学，Vol.32, pp. 382, 2014；封面文章），旨在推动相关研究。

　　十多年来，理化所科研团队围绕所开辟的室温或低熔点液态金属若干理论与技术前沿，持续不断地开展基础探索和技术创新，成功研发出系列产品级液态金属电子打印机及3D打印设备，并已开始部分提供有关企业使用。接下来团队将着力推进相应仪器的规模产业化，以满足国内外广大用户快速增长的需求。