北卡州大华人科学家主导实现突破,室温下3D打印导电材料

【华e生活讯】研究人员开发了一种高导电的金属凝胶,可以在室温下用于打印三维(3D)实体物体。

北卡州立大学化学与生物分子工程学系教授、这项研究的合作通讯作者之一迈克尔·迪基(Michael Dickey)表示:“3D打印已经彻底改变了制造业,但我们不知道之前有哪种技术能够让你在室温下一步完成打印3D金属物体。这为制造各种电子元件和设备打开了大门。”

为了制造金属凝胶,研究人员首先使用水悬浮微米级铜颗粒的溶液。然后,他们加入了少量的铟镓合金,该合金在室温下为液态金属。最后,将混合物搅拌均匀。

在搅拌混合物的过程中,液态金属和铜颗粒基本上互相附着在一起,在水溶液中形成了金属凝胶“网络”。

迪基表示:“这种凝胶状的一致性很重要,因为它意味着铜颗粒在材料中分布相对均匀。这有两个作用。首先,它意味着颗粒的网络连接形成了电通路。其次,它意味着铜颗粒不会在溶液中沉淀并堵塞打印机。”

得到的凝胶可以使用常规的3D打印喷头进行打印,并且在打印时保持其形状。当凝胶在室温下干燥时,所得的3D物体变得更加坚固,同时保持其形状。

然而,如果用户在物体干燥时决定施加热量,会发生一些有趣的事情。

研究人员发现,颗粒的排列方式会影响材料的干燥过程。例如,如果您打印了一个圆柱形物体,当它干燥时,侧面会比顶部和底部收缩更多。如果物体在室温下干燥,过程足够缓慢,不会对物体造成结构变化。然而,如果您施加热量,例如将其放在80摄氏度的热灯下,快速干燥可能会导致结构变形。由于这种变形是可预测的,这意味着您可以通过控制打印物体的图案和物体在干燥过程中受热程度,使打印物体在打印后改变形状。

迪基说:“最终,这种所谓的四维打印——传统的三维加上时间——是用于创建具有所需尺寸的结构的又一工具。但我们最激动的是这种材料的导电性。”

他说:“由于打印出的物体实际上有多达97.5%的金属成分,它们具有很高的导电性。虽然它的导电性不及传统的铜导线,但是在室温下无法3D打印铜导线。而我们开发的材料的导电性要远远优于其他任何可打印的材料。我们对这里的应用非常兴奋。”

迪基说:“我们愿意与工业合作伙伴合作,探索潜在的应用,并且随时乐意与潜在的合作伙伴讨论未来的研究方向。”

这项名为“Metallic Gels for Conductive 3D and 4D Printing”的研究成果发表在《Matter》杂志上。该论文的第一作者是Ruizhe Xing,他曾是北卡州立大学的访问学者,目前与西北工业大学和天津大学有关联。该论文的合作通讯作者是迪基(北卡罗来纳州立大学)、Renliang Huang和Wei Qi(天津大学)。论文的合著者还包括Jiayi Yang(北卡罗来纳州立大学的前访问学者,现任职于西安科技大学)、Dongguang Zhang(北卡州立大学的前访问学者,现任职于太原理工大学)、Gong Wei(北卡州立大学的前访问学者,现任职于新加坡国立大学)、Taylor Neumann(北卡州立大学的前博士生)、Meixiang Wang(北卡州立大学的博士后研究员)以及 Jie Kong(西北工业大学)。

该研究得到了中国国家自然科学基金(编号52203101)和中国国家留学基金委员会(编号201906250075)的支持。

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