Микро

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 3914 (2023) Цитировать эту статью

591 Доступов

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Сочетая текучесть жидкости и металлическую проводимость, сплавы галлия-индия (Ga-In) производят настоящий фурор в таких областях, как растяжимые электронные схемы и носимые медицинские устройства. Благодаря высокой гибкости прямая пишущая печать уже широко используется для печати сплавов Ga–In. В настоящее время пневматическая экструзия является основным методом прямой пишущей печати, но оксидная пленка и низкая вязкость сплавов Ga-In затрудняют контроль после экструзии. В этой работе был предложен метод прямой струйной печати на сплавах Ga-In с использованием экструзии с использованием микровибрации. Микровибрация снижает поверхностное натяжение капель сплава Ga-In и позволяет избежать появления случайных капель во время печати. Под действием микровибрации кончик сопла прокалывает оксидную пленку, образуя маленькие капли, обладающие высокой формуемостью. Процесс роста капель значительно замедляется за счет оптимизации подходящих параметров микровибрации. Таким образом, капли сплава Ga-In с высокой формуемостью могут удерживаться на сопле в течение длительного периода, что улучшает возможности печати. Кроме того, лучшие результаты печати были достигнуты при использовании микровибраций за счет выбора правильной высоты сопла и скорости печати. Результаты экспериментов продемонстрировали превосходство метода с точки зрения контроля экструзии сплавов Ga–In. Благодаря этому методу улучшаются печатные свойства жидких металлов.

Сплавы на основе галлия, представляющие собой жидкие металлы с низкой температурой плавления, широко используются в гибкой электронике1,2, синтезе материалов3,4, растяжимой электронике5,6, датчиках7,8 и других областях благодаря своим уникальным физическим свойствам. Возможности формования сплавов Ga-In улучшаются за счет сочетания технологии 3D-печати. Однако сплавы Ga–In быстро окисляются на воздухе с образованием естественной оксидной пленки, которая представляет собой вязкоупругий материал9. Оксидная пленка доминирует над реологическими свойствами и снижает поверхностное натяжение10, что является ключом к достижению печати сплавами Ga-In11. В процессе 3D-печати сплавов Ga-In с помощью пневматической экструзии из-за оксидной пленки на сопле появляются большие капли сплава Ga-In, что снижает формуемость12. Тогда процесс экструзии трудно контролировать. Из-за сложности управления экструзией сплавы Ga-In создают капли произвольного размера в процессе печати. Эти капли произвольного размера будут влиять на требования к разрешению13,14 и проводимости15 печатной структуры. Следовательно, многие исследователи предложили методы, позволяющие избежать образования капель случайного размера. Для пневматической экструзии жидких металлов используются три метода.

Печать осуществляется путем разрушения оксидной пленки под действием внешней силы. Кук и др.16 предположили, что капли выдавливаются, но не падают, благодаря точному контролю давления экструзии, а сила сдвига между каплями и подложкой используется для прилипания жидких металлов к подложке. Лэдд и др.17 разорвали оксидную оболочку растягивающим усилием, образовав отдельно стоящие провода из жидкого металла. Однако метод разрушения оксидной пленки внешней силой обычно выдвигает более высокие требования к процессу печати, например, точный контроль высоты сопла. Реологические характеристики жидких металлов были изменены путем объединения металлических и неметаллических материалов, что позволило жидкому металлу сохранять свою форму даже после экструзии. Ву и др.14 предложили жидкие микрогелевые чернила путем смешивания микрогеля альгината натрия, что уменьшило огромное поверхностное натяжение и улучшило адгезионные характеристики. Чен и др.13 предложили перерабатываемую и обратимую жидкую металлическую пасту путем объединения частиц SiO2, что улучшило адгезионные свойства жидких металлов. По мнению Даалхайджава и др.18, добавление проводящих нано- или микроникелевых материалов к жидким металлам улучшит их модуль упругости и предел текучести, а также позволит осуществлять 3D-печать. Проблему точного контроля экструдированного жидкого металла можно эффективно решить путем добавления других материалов, но применение также ограничивается добавляемыми материалами. Коаксиальная коэкструзионная печать была достигнута за счет изменения механической конструкции сопла. Чтобы получить непрерывный и стабильный поток жидкого металла, Хондок и др.19 разработали коаксиальное соэкструзионное сопло, которое могло обертывать жидкий металл термопластичным эластомером и экструдировать его вместе. Ву и др.20 предложили коаксиальное сопло с внутренним удлинением сопла для стабильного и эффективного обертывания и выдавливания жидкого металла, которое могло бы обеспечить печать жидким металлом с различным разрешением. Но 3D-структура не может быть напечатана путем укладки капель жидкого металла этим методом. Вышеописанный метод частично решает проблему оксидной пленки в процессе печати жидким металлом, но процесс печати, материалы или структуры, формируемые жидким металлом, в некоторой степени ограничены. Чтобы уменьшить влияние оксидной пленки на результаты печати без ограничения материала или процесса, мы предложили метод 3D-печати с микровибрацией для экструзии жидкого металла. При использовании этого метода оксидная оболочка капли разрушается, когда капля не расширяется до достаточного размера. Этот метод позволит эффективно избежать появления случайных капель в печатной структуре.