近期，中國科學院理化技術研究所低溫生物與醫學科研團隊，在多年液態金屬研究工作的基礎上，相繼在液相3d金屬打印及功能電子器件快速制造領域取得系列新進展，多項工作先后以封面文章形式發表于知名刊物，并在國內外引起重要反響。
眾所周知，金屬3d打印是當今增材制造領域的難點和制高點，由于存在技術瓶頸以及受成本制約，現有裝備一般限于工業級應用，尚無法實現大眾化和普及化。迄今，前人所發展的金屬3d打印主要集中于高熔點金屬上，通常借助高溫熔融成型或激光粉末燒結的方式來實現增材制造，一般采用空氣冷卻，但在這種加工模式下的目標部件降溫凝固速度慢，打印耗時長，成品制造成本高。為此，理化所團隊提出了一種有別于傳統的液相3d金屬打印方法，用以在室溫下快速制造導電金屬器件。相應研究以封面文章形式發表于 sciencechinatechnologicalsciences（wangandliu,vol.57,pp.1721,2014），并被選為熱點論文；隨即，這項工作在國際上引起廣泛關注，相繼被 phys.org,asianscientist,eurekalert,nanowerk,softpedia,spacedaily,3ders,facebook網站等六十多個英文媒體和專業網站報道或評介。
在題為《采用低熔點合金墨水快速制造導電金屬器件的液相3d打印方法》(liquidphase3dprintingforquicklymanufacturingconductivemetalobjectswithlowmeltingpointalloyink)的研究論文中，作者們首次提出了在液相冷卻環境中實現3d打印的學術思想，采用研制的新一代金屬墨水，直接在水、酒精等幾類溶液中制造出了三維金屬構件。與常規的空冷方式相比，液相冷卻打印對金屬熔融液滴具有降溫成型速度快，且能避免或有效減少空氣對金屬的氧化等優點。這種方法突破了傳統3d打印的固有技術范疇，可望在今后的功能器件快速制造領域發揮作用。
同時，針對傳統3d打印難以兼顧金屬及普通墨水在熔點上的巨大差異而難以耦合打印組裝的不足，研究小組還探索了不同功能材料的相容性和可同時打印性，由此發展了一種旨在直接制造終端功能器件的3d機電混合打印技術，相應研究在線發表于 sciencechinatechnologicalsciences(wangandliu,vol.57,doi:10.1007/s11431-014-5657-3,2014)。在題為《用于直接制造終端功能器件的金屬與非金屬墨水相容性混合3d打印》（ compatiblehybrid3dprintingofmetalandnonmetalinksfordirectmanufactureofendfunctionaldevices）的論文中，作者們首次證實了采用低熔點金屬墨水（用作制造電子部件）和非金屬墨水（用作制造支撐或絕緣封裝基底）交替打印和組裝功能器件的可行性，通過對材料熱流體特性和導電性的對比測試，闡明了不同熔點范圍墨水的可混合打印性和匹配特點，并具體結合一個led發光設備的制造展示了相應的打印和組裝過程。迄今，傳統3d打印中的導電金屬與非導體墨水(如聚合物)，由于在熔點上相差數百度甚至近1000°c，難以適時混合打印，這長期成為業界的重大技術挑戰。理化所的上述工作開啟了一條混合打印的新方向，未來還可發展出更多相容材料和墨水類別，從而使終端功能器件的全程自動制造和組裝成為可能。從這種意義上講，這一技術相當于電子器件的多墨水“彩色打印”?？梢灶A見的是，在未來的3d打印技術中，混合打印將成為必然方向之一。
除了金屬3d打印外，理化所團隊還推進了其之前建立的液態金屬印刷電子學技術。考慮到室溫金屬墨水在打印出電路后，若封裝不及時，會因處于液態而易于被涂抹，該團隊為此探索了一種實現固化電路打印的方法。他們引入了一種熔點高于室溫（約58.3℃）的鉍基合金打印墨水，揭示了該墨水與多種基底材料之間的黏附性問題，研制了對應的加熱打印頭，基于前期研發的液態金屬打印機（zhengetal., scientificreports,vol.4,pp.4588,20142014），直接打印出了固態電路。在這種方法中，由熔融金屬墨水打印成的精細電路在空氣的冷卻下會迅速凝固，由此形成電子圖案和功能器件，加工十分方便，特別是，這一工藝實現的固態電路較之液態電路易于回收。相應研究在線發表于 proceedingsoftheroyalsocietya(wangandliu,printinglowmeltingpointalloyinktodirectlymakesolidifiedcircuitorfunctionaldevicewithheatingpen,onlinepress,2014)，并被選為封面文章。
總的說來，液態金屬印刷電子學正逐步向縱深發展，展示了日益重要的應用價值。為探明這一嶄新技術在制造消費電子方面的應用特點，該團隊著手考察了系列典型功能器件的直接打印和組裝問題。在發表于 circuitworld的一篇題為《利用液態金屬打印機在用戶終端直接打印和組裝調頻收音機》（yangandliu,directprintingandassemblyoffmradioattheuserendvialiquidmetalprinter, circuitworld,onlinepress,2014）的論文中，研究小組演示了調頻收音機的打印、組裝及應用過程，獲得了相應頻段廣播信號的接收。與此同時，考慮到液態金屬印刷電子學在快速制造能量捕獲器上的發展潛力，研究小組提出了基于液態金屬電子墨水的可印刷式熱電發生器概念，并研制了對應的集成器件，特別以鎵-康銅熱電偶及鎵-鎵銦合金熱電偶為代表，系統評估了采用液態金屬直寫方式制作液-固、液-液兩類組合模式的熱電堆的熱電性能，并篩選出合適的配對材料；通過將20對鎵-康銅熱電偶加以集成并優化，所形成的熱電發生器輸出電壓經放大后達到1.70v，功率達742.9μw，可驅動led燈。這些基礎和應用實驗證明了液態金屬直寫式熱電發生器的實用價值。相應論文發表于《中國科學e輯》（李海燕等，基于液態金屬的可印刷式熱電發生器及其性能評估,vol.44，pp.407,2014）。特別地，鑒于液態金屬印刷電子墨水材料日益增長的重要性，研究小組還應邀在一篇文章中對此進行了評述（王磊，劉靜，液態金屬印刷電子墨水研究進展，影像科學與光化學，vol.32,pp.382,2014；封面文章），旨在推動相關研究。
眾所周知，金屬3d打印是當今增材制造領域的難點和制高點，由于存在技術瓶頸以及受成本制約，現有裝備一般限于工業級應用，尚無法實現大眾化和普及化。迄今，前人所發展的金屬3d打印主要集中于高熔點金屬上，通常借助高溫熔融成型或激光粉末燒結的方式來實現增材制造，一般采用空氣冷卻，但在這種加工模式下的目標部件降溫凝固速度慢，打印耗時長，成品制造成本高。為此，理化所團隊提出了一種有別于傳統的液相3d金屬打印方法，用以在室溫下快速制造導電金屬器件。相應研究以封面文章形式發表于 sciencechinatechnologicalsciences（wangandliu,vol.57,pp.1721,2014），并被選為熱點論文；隨即，這項工作在國際上引起廣泛關注，相繼被 phys.org,asianscientist,eurekalert,nanowerk,softpedia,spacedaily,3ders,facebook網站等六十多個英文媒體和專業網站報道或評介。
在題為《采用低熔點合金墨水快速制造導電金屬器件的液相3d打印方法》(liquidphase3dprintingforquicklymanufacturingconductivemetalobjectswithlowmeltingpointalloyink)的研究論文中，作者們首次提出了在液相冷卻環境中實現3d打印的學術思想，采用研制的新一代金屬墨水，直接在水、酒精等幾類溶液中制造出了三維金屬構件。與常規的空冷方式相比，液相冷卻打印對金屬熔融液滴具有降溫成型速度快，且能避免或有效減少空氣對金屬的氧化等優點。這種方法突破了傳統3d打印的固有技術范疇，可望在今后的功能器件快速制造領域發揮作用。
同時，針對傳統3d打印難以兼顧金屬及普通墨水在熔點上的巨大差異而難以耦合打印組裝的不足，研究小組還探索了不同功能材料的相容性和可同時打印性，由此發展了一種旨在直接制造終端功能器件的3d機電混合打印技術，相應研究在線發表于 sciencechinatechnologicalsciences(wangandliu,vol.57,doi:10.1007/s11431-014-5657-3,2014)。在題為《用于直接制造終端功能器件的金屬與非金屬墨水相容性混合3d打印》（ compatiblehybrid3dprintingofmetalandnonmetalinksfordirectmanufactureofendfunctionaldevices）的論文中，作者們首次證實了采用低熔點金屬墨水（用作制造電子部件）和非金屬墨水（用作制造支撐或絕緣封裝基底）交替打印和組裝功能器件的可行性，通過對材料熱流體特性和導電性的對比測試，闡明了不同熔點范圍墨水的可混合打印性和匹配特點，并具體結合一個led發光設備的制造展示了相應的打印和組裝過程。迄今，傳統3d打印中的導電金屬與非導體墨水(如聚合物)，由于在熔點上相差數百度甚至近1000°c，難以適時混合打印，這長期成為業界的重大技術挑戰。理化所的上述工作開啟了一條混合打印的新方向，未來還可發展出更多相容材料和墨水類別，從而使終端功能器件的全程自動制造和組裝成為可能。從這種意義上講，這一技術相當于電子器件的多墨水“彩色打印”?？梢灶A見的是，在未來的3d打印技術中，混合打印將成為必然方向之一。
除了金屬3d打印外，理化所團隊還推進了其之前建立的液態金屬印刷電子學技術。考慮到室溫金屬墨水在打印出電路后，若封裝不及時，會因處于液態而易于被涂抹，該團隊為此探索了一種實現固化電路打印的方法。他們引入了一種熔點高于室溫（約58.3℃）的鉍基合金打印墨水，揭示了該墨水與多種基底材料之間的黏附性問題，研制了對應的加熱打印頭，基于前期研發的液態金屬打印機（zhengetal., scientificreports,vol.4,pp.4588,20142014），直接打印出了固態電路。在這種方法中，由熔融金屬墨水打印成的精細電路在空氣的冷卻下會迅速凝固，由此形成電子圖案和功能器件，加工十分方便，特別是，這一工藝實現的固態電路較之液態電路易于回收。相應研究在線發表于 proceedingsoftheroyalsocietya(wangandliu,printinglowmeltingpointalloyinktodirectlymakesolidifiedcircuitorfunctionaldevicewithheatingpen,onlinepress,2014)，并被選為封面文章。
總的說來，液態金屬印刷電子學正逐步向縱深發展，展示了日益重要的應用價值。為探明這一嶄新技術在制造消費電子方面的應用特點，該團隊著手考察了系列典型功能器件的直接打印和組裝問題。在發表于 circuitworld的一篇題為《利用液態金屬打印機在用戶終端直接打印和組裝調頻收音機》（yangandliu,directprintingandassemblyoffmradioattheuserendvialiquidmetalprinter, circuitworld,onlinepress,2014）的論文中，研究小組演示了調頻收音機的打印、組裝及應用過程，獲得了相應頻段廣播信號的接收。與此同時，考慮到液態金屬印刷電子學在快速制造能量捕獲器上的發展潛力，研究小組提出了基于液態金屬電子墨水的可印刷式熱電發生器概念，并研制了對應的集成器件，特別以鎵-康銅熱電偶及鎵-鎵銦合金熱電偶為代表，系統評估了采用液態金屬直寫方式制作液-固、液-液兩類組合模式的熱電堆的熱電性能，并篩選出合適的配對材料；通過將20對鎵-康銅熱電偶加以集成并優化，所形成的熱電發生器輸出電壓經放大后達到1.70v，功率達742.9μw，可驅動led燈。這些基礎和應用實驗證明了液態金屬直寫式熱電發生器的實用價值。相應論文發表于《中國科學e輯》（李海燕等，基于液態金屬的可印刷式熱電發生器及其性能評估,vol.44，pp.407,2014）。特別地，鑒于液態金屬印刷電子墨水材料日益增長的重要性，研究小組還應邀在一篇文章中對此進行了評述（王磊，劉靜，液態金屬印刷電子墨水研究進展，影像科學與光化學，vol.32,pp.382,2014；封面文章），旨在推動相關研究。
