利用喷墨打印技术搭建一套制备高性能一维可拉伸纤维形器件

亮点

1. 通过一套自制的精密旋转喷墨打印设备，在超低直径纤维表面（最小打印线宽133 µm，可打印纤维直径低至500 µm，曲率达到4000 mˉ¹）实现高精度和可定制的微加工，并用于构筑高性能可穿戴1D可拉伸电子器件。

2. 这种制造方法是非破坏性的，通过印刷具有可拉伸结构的导电油墨和优选纤维基底制备的一维可拉伸导体在实际应用中表现出出色的导电性、机械稳定性和应变不敏感特性。

3. 几种可穿戴一维可拉伸电子器件应用被证明，包括纤维形电热器件、应变传感器和超级电容器。

论文简介

个人电子产品的小型化和便携化趋势导致了可穿戴电子产品的快速发展。可拉伸1D纤维形电子器件由于其体积小、能够编织成织物、对频繁机械变形的适应性和高透气性而显示出更多的优势。通过纺织技术、纳米技术和电子学的跨学科融合，高性能1D可拉伸纤维形电子学取得了显著进展，还实现了各种1D可伸展导体，这是实现1D可拉伸纤维形电子学的主要基础。然而，目前大多数制造技术主要围绕顺序涂覆和溶液挤出展开，通常难以在纤维表面实现精密的微制造。这可能限制某些1D可拉伸电子部件的实现，并影响1D可拉伸纤维形电子部件的性能。喷墨打印技术是一种潜在的解决方案，因为它可以精确控制喷嘴和纤维的旋转，有望在纤维表面构建复杂的电子器件。此外，喷墨打印是一种非破坏性加工方法，可以在提供喷墨工艺定制的同时保持纤维基底的机械性能。

因此，栗大超教授团队以喷墨打印技术为基础，搭建了一套高精度旋转喷墨打印设备用于制备高性能一维可拉伸纤维形器件。主要利用自编程软件对预定义的图案进行切片，并协同控制喷嘴和精确的旋转电机将墨水打印到纤维形基材上。该设备允许最小打印线宽为133μm，可打印纤维形基底直径低至500μm，曲率大至4000mˉ¹，证明了其在大曲率回转体表面先进的微加工能力。最后，几种高性能1D可拉伸纤维形电子器件被制备证明，包括纤维形电热装置、应变传感器和超级电容器。

图文导读

1. 用于制造1D纤维形电子器件的喷墨打印技术

如图1b-c所示，自建的旋转喷墨打印设备包括一个直径为30μm的压电喷嘴、一个自编程软件、一对同步电机、一台数码相机和一个加热平台。同步电机上安装有JTO夹具，用于固定和施加柔性纤维的旋转运动。自编程软件协同控制喷嘴和同步电机，以预定义的图案将墨滴打印到纤维表面。数码相机观察动态喷墨打印行为，而加热平台有助于促进墨水中乙二醇溶剂的蒸发，降低流动性。

如图1h所示，基于不同的加工目的，喷墨打印过程进一步开发了两种工作模式：连续喷墨打印模式和线扫描喷墨打印模式。连续喷墨打印模式涉及连续且单向的喷嘴轨迹，用于通过预先设计的可拉伸结构（例如螺旋或蛇形结构）制备可拉伸导体。另一方面，线扫描喷墨打印模式采用线性扫描和往复运动的喷嘴轨迹，用于在直径小且曲率大的纤维表面上实现更复杂的微加工。图1e-1f展示了最小的打印线宽约为133μm，最小可打印纤维直径为500μm，对应于4000mˉ¹的大曲率。与将弹性基质与导电填料相结合的传统纺丝或涂层方法不同，喷墨印刷方法是一种无损的加工工艺，使可拉伸电子器件能够同时受益于喷墨印刷技术的定制和所选纤维形基底的机械性能。如图1j所示，拉伸应力-应变曲线表明印刷油墨对PU纤维本身的机械性能影响很小。

图1 用于制造1D纤维形电子器件的喷墨打印技术

2. 喷墨印刷的螺旋形可拉伸导体的力学和导电性能

为了实现可拉伸的一维纤维状电子产品和系统，具有高拉伸性和导电性的可拉伸导体基本上是必不可少的。由于大多数导电油墨是刚性的并且具有不变的导电性，因此这项工作采用直接喷墨打印具有螺旋结构的导电油墨的策略。先前的研究表明，螺旋结构可以将线性应变均匀地转化为弯曲应变，从而实现脆性导电油墨展现出色的延展性。如图2a所示，该结果得到了有限元分析的进一步支持，并且可以通过调整螺旋结构参数轻松调节电极的延展性。此外，该团队还对纤维电极进行了弯曲和扭曲状况下的导电性的测试，展现了出色的导电和机械稳定性。

图2 喷墨印刷的螺旋形Ag油墨导体的机械和导电行为

3. 喷墨打印的一维可拉伸电子器件

受益于喷墨打印设备的高打印精度、定制化和墨水多样性，几种高性能一维可拉伸纤维状电子器件被制备证明，包括纤维状电热器件（图3）、应变传感器件（图4）和超级电容器（图5）。该工作将极大地促进高性能的、功能多样化和低成本的一维纤维电子产品和智能纺织品的发展。

图3 喷墨打印制备的可拉伸纤维形电热器件

图4 喷墨打印制备的1D可拉伸应变传感纤维

图5 喷墨打印制备的一维可拉伸超级电容器纤维

审核编辑：刘清