利用噴墨打印技術(shù)搭建一套制備高性能一維可拉伸纖維形器件

亮點(diǎn)

1. 通過一套自制的精密旋轉(zhuǎn)噴墨打印設(shè)備，在超低直徑纖維表面（最小打印線寬133 μm，可打印纖維直徑低至500 μm，曲率達(dá)到4000 mˉ1）實(shí)現(xiàn)高精度和可定制的微加工，并用于構(gòu)筑高性能可穿戴1D可拉伸電子器件。

2. 這種制造方法是非破壞性的，通過印刷具有可拉伸結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電油墨和優(yōu)選纖維基底制備的一維可拉伸導(dǎo)體在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出出色的導(dǎo)電性、機(jī)械穩(wěn)定性和應(yīng)變不敏感特性。

3. 幾種可穿戴一維可拉伸電子器件應(yīng)用被證明，包括纖維形電熱器件、應(yīng)變傳感器和超級電容器。

論文簡介

個(gè)人電子產(chǎn)品的小型化和便攜化趨勢導(dǎo)致了可穿戴電子產(chǎn)品的快速發(fā)展?？衫?D纖維形電子器件由于其體積小、能夠編織成織物、對頻繁機(jī)械變形的適應(yīng)性和高透氣性而顯示出更多的優(yōu)勢。通過紡織技術(shù)、納米技術(shù)和電子學(xué)的跨學(xué)科融合，高性能1D可拉伸纖維形電子學(xué)取得了顯著進(jìn)展，還實(shí)現(xiàn)了各種1D可伸展導(dǎo)體，這是實(shí)現(xiàn)1D可拉伸纖維形電子學(xué)的主要基礎(chǔ)。然而，目前大多數(shù)制造技術(shù)主要圍繞順序涂覆和溶液擠出展開，通常難以在纖維表面實(shí)現(xiàn)精密的微制造。這可能限制某些1D可拉伸電子部件的實(shí)現(xiàn)，并影響1D可拉伸纖維形電子部件的性能。噴墨打印技術(shù)是一種潛在的解決方案，因?yàn)樗梢跃_控制噴嘴和纖維的旋轉(zhuǎn)，有望在纖維表面構(gòu)建復(fù)雜的電子器件。此外，噴墨打印是一種非破壞性加工方法，可以在提供噴墨工藝定制的同時(shí)保持纖維基底的機(jī)械性能。

因此，栗大超教授團(tuán)隊(duì)以噴墨打印技術(shù)為基礎(chǔ)，搭建了一套高精度旋轉(zhuǎn)噴墨打印設(shè)備用于制備高性能一維可拉伸纖維形器件。主要利用自編程軟件對預(yù)定義的圖案進(jìn)行切片，并協(xié)同控制噴嘴和精確的旋轉(zhuǎn)電機(jī)將墨水打印到纖維形基材上。該設(shè)備允許最小打印線寬為133μm，可打印纖維形基底直徑低至500μm，曲率大至4000mˉ1，證明了其在大曲率回轉(zhuǎn)體表面先進(jìn)的微加工能力。最后，幾種高性能1D可拉伸纖維形電子器件被制備證明，包括纖維形電熱裝置、應(yīng)變傳感器和超級電容器。

圖文導(dǎo)讀

1. 用于制造1D纖維形電子器件的噴墨打印技術(shù)

如圖1b-c所示，自建的旋轉(zhuǎn)噴墨打印設(shè)備包括一個(gè)直徑為30μm的壓電噴嘴、一個(gè)自編程軟件、一對同步電機(jī)、一臺數(shù)碼相機(jī)和一個(gè)加熱平臺。同步電機(jī)上安裝有JTO夾具，用于固定和施加柔性纖維的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。自編程軟件協(xié)同控制噴嘴和同步電機(jī)，以預(yù)定義的圖案將墨滴打印到纖維表面。數(shù)碼相機(jī)觀察動(dòng)態(tài)噴墨打印行為，而加熱平臺有助于促進(jìn)墨水中乙二醇溶劑的蒸發(fā)，降低流動(dòng)性。

如圖1h所示，基于不同的加工目的，噴墨打印過程進(jìn)一步開發(fā)了兩種工作模式：連續(xù)噴墨打印模式和線掃描噴墨打印模式。連續(xù)噴墨打印模式涉及連續(xù)且單向的噴嘴軌跡，用于通過預(yù)先設(shè)計(jì)的可拉伸結(jié)構(gòu)（例如螺旋或蛇形結(jié)構(gòu)）制備可拉伸導(dǎo)體。另一方面，線掃描噴墨打印模式采用線性掃描和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的噴嘴軌跡，用于在直徑小且曲率大的纖維表面上實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的微加工。圖1e-1f展示了最小的打印線寬約為133μm，最小可打印纖維直徑為500μm，對應(yīng)于4000mˉ1的大曲率。與將彈性基質(zhì)與導(dǎo)電填料相結(jié)合的傳統(tǒng)紡絲或涂層方法不同，噴墨印刷方法是一種無損的加工工藝，使可拉伸電子器件能夠同時(shí)受益于噴墨印刷技術(shù)的定制和所選纖維形基底的機(jī)械性能。如圖1j所示，拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線表明印刷油墨對PU纖維本身的機(jī)械性能影響很小。

圖1 用于制造1D纖維形電子器件的噴墨打印技術(shù)

2. 噴墨印刷的螺旋形可拉伸導(dǎo)體的力學(xué)和導(dǎo)電性能

為了實(shí)現(xiàn)可拉伸的一維纖維狀電子產(chǎn)品和系統(tǒng)，具有高拉伸性和導(dǎo)電性的可拉伸導(dǎo)體基本上是必不可少的。由于大多數(shù)導(dǎo)電油墨是剛性的并且具有不變的導(dǎo)電性，因此這項(xiàng)工作采用直接噴墨打印具有螺旋結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電油墨的策略。先前的研究表明，螺旋結(jié)構(gòu)可以將線性應(yīng)變均勻地轉(zhuǎn)化為彎曲應(yīng)變，從而實(shí)現(xiàn)脆性導(dǎo)電油墨展現(xiàn)出色的延展性。如圖2a所示，該結(jié)果得到了有限元分析的進(jìn)一步支持，并且可以通過調(diào)整螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)輕松調(diào)節(jié)電極的延展性。此外，該團(tuán)隊(duì)還對纖維電極進(jìn)行了彎曲和扭曲狀況下的導(dǎo)電性的測試，展現(xiàn)了出色的導(dǎo)電和機(jī)械穩(wěn)定性。

圖2 噴墨印刷的螺旋形Ag油墨導(dǎo)體的機(jī)械和導(dǎo)電行為

3. 噴墨打印的一維可拉伸電子器件

受益于噴墨打印設(shè)備的高打印精度、定制化和墨水多樣性，幾種高性能一維可拉伸纖維狀電子器件被制備證明，包括纖維狀電熱器件（圖3）、應(yīng)變傳感器件（圖4）和超級電容器（圖5）。該工作將極大地促進(jìn)高性能的、功能多樣化和低成本的一維纖維電子產(chǎn)品和智能紡織品的發(fā)展。

圖3 噴墨打印制備的可拉伸纖維形電熱器件

圖4 噴墨打印制備的1D可拉伸應(yīng)變傳感纖維

圖5 噴墨打印制備的一維可拉伸超級電容器纖維

審核編輯：劉清