青島理工大學(xué)：通過液體犧牲基板的電場驅(qū)動射流3D打印技術(shù)

供稿人：曲滿強、賀健康 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

透明玻璃加熱器(TGHs)是目前應(yīng)用最廣泛的高檔玻璃產(chǎn)品之一，在汽車車窗、航天電子和其他民用設(shè)備實現(xiàn)除霜除冰有著重要作用。雖然氧化銦錫(ITO)是一種商業(yè)上廣泛應(yīng)用的透明電極，在透明電加熱領(lǐng)域占據(jù)了市場，但是由于銦的稀缺性、毒性溫和以及嚴格的加工條件都阻礙了其在TGHs領(lǐng)域的進一步應(yīng)用。目前替代ITO的材料主要有碳基材料、金屬納米線(NWs)、導(dǎo)電聚合物 (如Poly(3,4-乙烯二氧噻吩)/ Poly(苯乙烯磺酸鹽)(PEDOT:PSS)等)、透明金屬薄膜、金屬網(wǎng)格復(fù)合的透明導(dǎo)電薄膜等。然而，這些材料對于高性能TGHs具有固有的局限性。例如，碳基材料、金屬納米線和導(dǎo)電聚合物都面臨著電導(dǎo)率和透光率難以同時提高的矛盾，這就限制了低成本、低片電阻、高透光率的高性能TGHs的生產(chǎn)。此外，它們的均勻性低，材料成本高，與基材的附著力差，這使得它們難以在惡劣的環(huán)境中長時間使用。透明金屬薄膜導(dǎo)電表面均勻，但透光率較低，仍需真空濺射等制造工藝金屬網(wǎng)因其優(yōu)良的電學(xué)和光學(xué)性能，被認為是最具前景的下一代材料。通過改變網(wǎng)格的線寬、線間距、縱橫比和排列方式，可以有效地調(diào)節(jié)金屬網(wǎng)格的透射率和電阻之間的平衡。然而，低成本、簡單、綠色制造具有良好光電性能、機械性能和環(huán)境適應(yīng)性的金屬網(wǎng)TGHs仍然是一個挑戰(zhàn)。

針對上述問題，青島理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院蘭紅波教授團隊提出了一種基于液體犧牲基板電場驅(qū)動微尺度3D打印制備高性能TGHs的方法。首先將一層薄薄的液體材料旋涂在玻璃基板上，然后利用液體犧牲基板電場驅(qū)動微尺度3D打印技術(shù)將銀漿材料直接打印到液體薄膜基板上。最后通過后續(xù)的后處理得到銀網(wǎng)線寬度、間距和厚度分別為35μm、1000μm和12.3 μ m的最佳參數(shù)的銀導(dǎo)線陣列。這是目前第一次研究液態(tài)膜基板上的電場驅(qū)動噴射印刷的技術(shù)，這為電場驅(qū)動噴射印刷技術(shù)帶來了廣闊的研究領(lǐng)域。采用液態(tài)聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為印刷基板，實現(xiàn)了厚膜銀漿料在玻璃基板上的高分辨率印刷。該方法的最大優(yōu)點是巧妙地引入了液體犧牲材料，實現(xiàn)了高分辨率銀網(wǎng)在玻璃基板上的直接打印。

圖1a是 TGHs制造過程示意圖。圖1b是液體犧牲基板電場驅(qū)動微尺度3D打印原理圖。圖1c是LS-EFD微尺度3D打印的電場分布和強度模擬結(jié)果。圖1d-g是高速相機捕捉到的泰勒錐形成和打印過程。圖1h是TGHs的宏觀圖像。圖1i是玻璃基板上銀導(dǎo)線的SEM圖像。圖1j是圖1i部分放大的SEM圖。圖1k為 2.5 V電壓下飽和溫度分布圖

圖2是檢測TGHs的光電子性能、力學(xué)穩(wěn)定性及環(huán)境適應(yīng)性。（圖a）不同間距銀網(wǎng)在可見光范圍內(nèi)(銀線寬度為35μm，間距為500 ~ 2000μm)的透射率。（圖b）不同間距銀導(dǎo)線的電阻。（圖c）不同線寬銀網(wǎng)在可見光范圍內(nèi)的光學(xué)透過率。（圖d）不同線寬銀網(wǎng)片電阻的變化。（圖e）最高溫度與每平方厘米面積輸入功率的函數(shù)關(guān)系。（圖f）550 nm波長下不同導(dǎo)電材料透明電極的透射率和電阻比較。（圖g）3M透明膠帶粘附試驗次數(shù)與電阻變化關(guān)系圖) （圖h）銀網(wǎng)在30 kHz，400 W，40℃，300 min的超聲波檢測下對電阻變化的影響。（圖i）化學(xué)腐蝕對銀網(wǎng)阻值變化的影響。

如圖3a所示，在不同的電壓下，溫度最終會達到一個飽和值，對應(yīng)的熱響應(yīng)時間約為120 s。圖3b顯示了不同直流電壓下的溫度分布圖像，顯示出了銀網(wǎng)的均勻性和優(yōu)良的加熱性能。令人驚訝的是，在2.5 V直流電壓下，最高溫度可達226°C。在面積為30 × 40 mm、厚度為5 mm的冰塊上進行除冰試驗，進一步驗證TGHs的性能，如圖3c所示。經(jīng)過80秒后，背景圖像上的內(nèi)容開始出現(xiàn)，在180秒后，冰塊完全融化。

值得注意的是，這種直接印刷策略避免了繁瑣的制造過程，并提供了一種成本效益高的制造方法，用于在玻璃基板上直接印刷厚膜銀漿料。與不使用液體犧牲材料直接在玻璃基板上印刷銀導(dǎo)線相比，我們的方法不僅可以減小印刷線條的寬度，還可以增加線條的寬度比。在電加熱除冰、海水淡化等方面取得了良好的應(yīng)用效果。更重要的是，液體PDMS不僅可以作為犧牲材料，還可以作為金屬網(wǎng)載體，制造嵌入金屬網(wǎng)的柔性透明電極，具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻：
Li H, Li Z, Li N, et al. 3D Printed High Performance Silver Mesh for Transparent Glass Heaters through Liquid Sacrificial Substrate Electric‐Field‐Driven Jet[J]. Small. 2022, 18(17): 2107811. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202107811