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将镓铟合金“粘”在立体器件上，液态金属或将激发3D打印新活力

2021-12-06

液态金属“粘”在立体器件上,近日，梦之墨液态金属材料技术团队，在刘静教授的带领下发现，将具有较高黏附性的高分子涂层涂抹在3D打印器件上，可以将镓铟合金材料“粘”在打印器件上。此外，对镓铟合金进行特殊处理，在降低其流动性的同时提高黏附性，可以使其稳定维持在立体结构表面。同时，附着在立体结构表面的液态金属涂层可以与周围的液态金属涂层形成“液桥”，从而实现金属焊接的效果。这项研究成果相当于为传统的3D打印赋予了特定功能，在实际应用中具有重要意义。
增材制造即3D打印，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能，因而在航空航天、文物保护、医疗健康等领域崭露头角。多功能电子器件或系统大多是三维立体结构，其组成单元由各种金属或非金属电子材料构筑而成。传统的3D打印主要基于尼龙玻纤、耐用性尼龙一类的材料，由此打印出的物件一般并不具备电子功能。因此3D打印手段直接打印出立体终端电子产品，一直是学术界和工业界无法解决的难题。
梦之墨液态金属团队深入研究,近年来，随着液态金属印刷电子学的发展，以低熔点金属镓为基础的室温液态金属合金材料逐渐进入人们视野，在柔性电子、智能机器等领域得到广泛研究和应用。梦之墨技术团队长期从事液态金属相关研究，在基于液态金属功能性复合材料的装备方面有丰厚的积累。通过对液态金属功能材料进行改造，并结合增材制造技术，梦之墨团队开发出一种基于液态金属功能性复合材料的快速电路印刷技术，并利用此技术研发生产的桌面电子电路打印机已实现产业化。
看到3D打印电子设备存在的局限性，刘静教授带领的技术团队隐约意识到，在立体电子制造领域，液态金属有可能发挥其独特的作用。
为实现这一构想，技术团队经过多次实验，最终发现利用3D打印技术制作出一系列复杂的立体结构，并在这种立体结构表面，覆盖对液态金属材料具有较高黏附性的高分子涂层，然后将其浸润到液态金属中，从而实现液态金属在立体结构表面的附着。
转印上镓铟合金的样品,在实验室中摆放着十几种不同材质的器件，都是转印上镓铟合金的样品。其中有塑料材质的思想者雕像、木质的小人、聚乙烯小球、金字塔模型、菜园里摘下的葫芦甚至各种纺织品。利用这种现象，将相同尺寸的立体结构单元进行堆积组合，可以构建出更复杂的立体结构。而且，各单元之间的液态金属涂层可形成稳定的导电通路，实现可组装的立体电路。比如将金字塔模型的电路接通，一排连接在镓铟合金电路上的LED灯珠闪起了绿光。
高分子涂层+液态金属,这种“高分子涂层+液态金属”的结构可通过适当封装，增强其稳定性。因为涂层很薄，封装后的镓铟合金不仅不会泄漏和流淌，还能满足一些柔性物品的特殊要求，在保持电子性能的同时改变形状。如果电子设备需要一定强度，还可以采用不同熔点的液态金属墨水，实现印刷后即固化。将液态金属涂层覆盖在柔性硅胶结构表面，可利用液态金属材料在不同温度下的相变特性，实现立体结构可调控的力学性能。从安全性上看，此类材料在环境下很难蒸发。如果没有大剂量皮肤接触、吞咽、停留体内等情况，使用起来是比较安全的。
液态金属3D打印技术将机械制造和电子制造巧妙结合在一起，制造过程便捷、成本低廉，具有较高的个性化特点，因此有望在艺术设计、文化创意、消费电子甚至大中小学电子工程教育普及方面得到广泛应用。除本身的电子工程学意义外，这项研究还为三维立体功能电子器件快速制造提供了一种重要且易于规模化普及的实用技术，该技术具有非常强的实用性，有望赋能3D打印行业，推动传统3D打印的可持续健康发展，激发行业活力，促成其规模化应用。

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