作者:黄仁亮等 来源:《物质》 发布时间:2023/7/8 10:42:41
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天津大学实现高导电金属常温4D打印

 

2023年7月5日,天津大学齐崴教授、黄仁亮教授团队与美国北卡罗来纳州立大学Michael D. Dickey教授合作在Matter期刊上发表了一篇题为“Metallic Gels for conductive 3D and 4D printing”的研究成果,被遴选为当期特色论文(Featured Article)。同时,该成果入选了Nature研究亮点(Research Highlight),以“‘4D printed’ objects morph and flex thanks to a metallic ink”为题进行了报道。

该研究利用液态金属与铜之间的独特浸润作用,首次制得了具有Pendular结构的液态金属/铜/水三相金属凝胶。该凝胶具有剪切诱导排列特性,在溶剂蒸发后呈现各向异性收缩。同时,液态金属与铜的首尾相连结构使得材料呈现出类金属的高导电性能(1.05×105 S/m)。通过图案编程,实现了高导电金属在室温下的4D打印,为金属材料的绿色、智能加工制造开辟了新思路。

论文通讯作者是黄仁亮教授、齐崴教授和Michael D. Dickey教授,第一作者是邢瑞哲博士。

由于金属粉末通常需要高温粘结或烧结才能成型,导致金属材料在室温下的3D打印非常具有挑战性。传统的金属3D打印过程均需要消耗大量能量,无法在常温下加工。液态金属(LM)具有低熔点和高导电/导热能力,在电学、能源、催化、生物等领域中具有巨大的应用潜力。同时,LM的低粘度特性也使其适用于各种加工手段,如3D打印、丝网印刷、喷墨打印等。近年来,研究发现LM能够兼容多种3D打印技术,如直接书写、光固化、激光辅助3D打印技术等。然而,这些技术均不可避免地使用到大量LM以实现最终产品的高导电性,这极大地限制了其推广应用。此外,已报道的LM导电材料本身还需要后处理(如酸碱、机械力、激光等),才能实现内部电路的导通。

图1:液态金属三相凝胶的制备过程、三相相图及其结构性能。

液态金属可以浸润大多数金属(如Cu、Fe、Ag等)表面。在这项工作中,受到固-液-液三相凝胶体系的启发,作者通过调配LM、Cu颗粒与水之间的比例,成功得到了具备Pendular网络特征的三相金属凝胶。研究发现该凝胶对水溶液pH值高度敏感,主要是因为在强酸/强碱环境中LM表面的氧化膜被刻蚀,从而促使LM与Cu颗粒进行接触,形成更紧密连接的网络。通过相图分析,发现LM/Cu/水三相体系形成凝胶的最小LM含量仅需0.1 vol%。更重要的是,LM三相凝胶的屈服模量高达1kPa以上,具备了可3D打印的特性。

图2:液态金属三相凝胶的3D打印过程。

进一步,发现LM三相凝胶在挤出式3D打印过程中具有显著的剪切诱导排列行为,这主要源自于LM本身的液态属性。同时,在水溶液中加入少量甲基纤维素作为骨架,发现3D打印的线条在干燥过程中呈现出显著不同的轴向和径向收缩率。基于上述发现,通过逆向编程,采用双层结构设计打印出了一系列具有不同空间曲率的特征结构,并通过控制干燥温度,实现了曲率的分区控制。特别地,采用液态金属三相凝胶所打印出的结构具有类金属的高导电性(1.05×105 S/m)和弯曲模量(0.89 GPa)。

图3:液态金属三相凝胶可编程4D打印过程。

为了验证液态金属凝胶在4D打印上的多样性和灵活性,将不同曲率的基本单元进行组合,实现了对蜘蛛外形复杂结构的仿生打印,开发了一种能够实时感知振动方向的“蜘蛛机器人”。

图4:仿生4D打印制备可实时感知振动方向的蜘蛛机器人。

该工作首次在室温下实现了高导电金属的4D打印,为金属材料的绿色、智能加工制造开辟了新思路。该研究得到国家自然科学基金(52203101)和国家留学基金委项目(201906250075)的资助支持。(来源:科学网)

论文相关信息:https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.06.015

Nature 研究亮点报道链接:https://doi.org/10.1038/d41586-023-02143-1

 
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