液态金属3D打印，让立体功能电子器件快速制造成为现实

从武器装备到人体器官，从汽车零件到高楼大厦，现在的3D打印机可以制造出的东西超乎想象，各类高精尖领域都在研究3D打印技术的应用，3D打印技术也在不断地创新发展。

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。

近日，来自清华大学的刘静教授团队将3D打印技术与液态金属功能材料结合，开发出一种基于液态金属选择粘附性的3D电路转印技术。在这项研究中，研究人员首先利用3D打印工艺制作出一系列的复杂立体结构，并在立体结构表面覆盖对液态金属材料具有较高粘附性的高分子涂层；之后将立体结构浸润到液态金属中，实现液态金属在立体结构表面的附着。

在立体结构表面粘附液态金属涂层的工艺流程以及附着液态金属涂层的多种复杂立体结构

此外，该研究发现液态金属镓铟合金在室温下因受重力影响，难以稳定地附着在立体结构的表面。因此，研究人员事先对镓铟合金进行氧化处理，使其黏附性大大提升而流动性显著降低，从而可在立体结构表面维持一定的稳定性。

液态金属材料的氧化处理和其较低的流动性

立体功能电子器件的快速制造

常规3D金属打印通常基于高熔点金属材料，耗时耗能，费用较高；而基于塑料或聚合物等的普通3D打印，却不易实现功能器件成型。液态金属3D打印技术的出现，打破了上述两方面的技术瓶颈，为快速低成本制造个性化功能电子器件打开了全新视野。

3D打印已被普遍认为是“第三次工业革命”的重要引擎，为世界各国密集重视。液态金属与3D金属打印方法的建立，使得个性化功能器件的快速制造成为可能。

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。

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，该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。

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。

研究细节

3D打印工艺制作的立体结构是由颗粒熔融堆积而成，因此具有粗糙的表面形貌。刘静教授团队的研究发现这种粗糙的界面使得液态金属难以附着，因而需要事先覆盖一层对液态金属材料具有较高粘附性的高分子涂层，如下图所示。

高分子涂层修饰前后的立体结构具有显著的界面形貌差异，导致液态金属选择性地粘附在高分子涂层区域

基于上述原理，研究人员将高分子涂层覆盖在立体结构的特定区域，利用液态金属在不同界面上的选择粘附性，可实现立体电路的转印制备，如下图所示。

在立体结构表面转印的3D电路

不同于将液态金属封装在立体结构内部的方式，附着在立体结构表面的液态金属涂层还可以与周围的液态金属涂层形成液桥，实现金属焊接的效果。利用这种现象，研究人员将相同尺寸的立体结构单元进行堆积组合，从而构建出更加复杂的立体结构。此外，单元之间的液态金属涂层可形成稳定的导电通路，从而实现可组装的立体电路，如下图所示。

球形和立方体形的液态金属立体电路的堆积组装

此外，研究人员还将液态金属涂层覆盖在柔性硅胶结构表面，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，如下图所示。最后，研究人员使用该技术将液态金属涂层粘附在多种材料表面。

覆盖液态金属涂层的立体结构在不同温度下的可调控力学性能

液态金属作为打印材料具有独特的性能特点和优势。当前，全球在液态金属3D打印领域的研究已然风生水起，展示出一个极具活力和发展前景的新兴科技前沿。以低熔点液态金属为成型材料的3D打印技术，突破了传统金属材料的形状和高温限制，实现了功能器件的完整制造，有助于发挥3D打印技术在智能生产和灵巧制造领域的作用，继而促成生产方式的变革。