大連理工大學(xué)開(kāi)發(fā)張力驅(qū)動(dòng)的流體拉伸技術(shù)，打印柔性電路制造的獨(dú)立3D導(dǎo)線(xiàn)

2025年6月29日，南極熊獲悉，大連理工大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)公布了一種張力驅(qū)動(dòng)的流體拉伸技術(shù)，用于打印獨(dú)立的3D導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)技術(shù)使用高粘度銀納米顆粒墨水，單針裝置將墨水拉伸成懸空的細(xì)絲，同時(shí)溶劑蒸發(fā)使導(dǎo)線(xiàn)實(shí)時(shí)固化。這種方法繞過(guò)了噴嘴直徑限制的擠壓限制，并實(shí)現(xiàn)了低于10微米的分辨率。研究團(tuán)隊(duì)在從發(fā)光二極管(LED)網(wǎng)格到熱成像設(shè)備的柔性電子原型中展示了這種方法。

這種拉伸打印方法已成功應(yīng)用于柔性電路，包括發(fā)光二極管（LED）陣列、熱成像顯示器和多諧振蕩器電路。這項(xiàng)工作通過(guò)流體拉伸打印為柔性電子制造建立了一種新范式，實(shí)現(xiàn)了制造 3D 互連的前所未有的定制化和兼容性。

△流體拉伸打印技術(shù)與傳統(tǒng)擠壓打印技術(shù)。a 流體拉伸打印技術(shù)方法示意圖。b拉伸打印階段。c 擠壓打印技術(shù)示意圖。d擠壓打印階段。e擠壓打印局部放大圖。f擠壓打印油墨受力分析。g拉伸打印局部放大圖。h液橋受力分析

相關(guān)研究以題為“Fluid drawing printing 3Dconductive structures for flexible circuit manufacturing”的論文已發(fā)表在《微系統(tǒng)與納米工程》雜志上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41378-025-00936-0

柔性電子技術(shù)是可穿戴設(shè)備、可折疊顯示屏和軟體機(jī)器人等新興技術(shù)的核心。然而，傳統(tǒng)的印刷電路依賴(lài)于平面設(shè)計(jì)和分層制造，無(wú)法滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的復(fù)雜性、緊湊性和機(jī)械柔性需求。現(xiàn)有的3D打印方法通常會(huì)犧牲分辨率或速度，并受到墨水粘度和噴嘴幾何形狀的限制。此外，在彎曲過(guò)程中保持導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)完整性仍然是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)。由于這些問(wèn)題，需要新的策略來(lái)直接可靠地制造兼具小型化和機(jī)械彈性的獨(dú)立導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。

△a) 制備好的 LED 陣列的光學(xué)圖像。b) LED 陣列的放大圖。c) LED 陣列在彎曲狀態(tài)下工作的圖片。插圖為縱向 LED 陣列的工作圖。d) 柔性熱成像顯示設(shè)備示意圖。e) 制備好的柔性熱成像顯示設(shè)備的照片。插圖為獨(dú)立式 3D 互連的放大圖。f) 柔性熱成像顯示器處于彎曲狀態(tài)。插圖為單個(gè)倒三角形的熱像。g) 多諧振蕩器電路示意圖。h) 制備好的多諧振蕩器電路的圖像。插圖為獨(dú)立式 3D 互連的一部分的放大圖。i) 多諧振蕩器電路的測(cè)試圖像。插圖為平面狀態(tài)下多諧振蕩器電路的示意圖。來(lái)源：自然。

大連理工大學(xué)的這項(xiàng)技術(shù)不是將墨水推入噴嘴，而是像拉線(xiàn)一樣將其拉出，利用氣壓、墨水粘度和熱蒸發(fā)的相互作用。銀納米顆粒墨水經(jīng)過(guò)精心配制，加熱后變稠，在針頭和基底之間形成穩(wěn)定的“液體橋”。當(dāng)針頭抬起時(shí)，墨水會(huì)拉伸成細(xì)絲并立即凝固，從而使線(xiàn)寬細(xì)至 4 μm——比噴嘴本身還要細(xì)。調(diào)節(jié)速度和氣壓可以調(diào)節(jié)電線(xiàn)的粗細(xì)和長(zhǎng)度。打印后熱處理可提高導(dǎo)電性，將電阻率降低到接近本體銀的水平（2.5 × 10⁻⁷ Ω·m）。印刷電線(xiàn)經(jīng)過(guò) 200 次彎曲循環(huán)后仍保持完好并導(dǎo)電。電路演示包括具有垂直和水平尋址能力的 LED 陣列、云母片上的熱成像單元和自振蕩多諧振蕩器電路——所有這些都是用單層打印制成的。這些獨(dú)立連接取代了多層板，簡(jiǎn)化了架構(gòu)和組裝，同時(shí)保持了出色的電氣和機(jī)械性能。

研究論文的共同通訊作者王大志博士說(shuō)道：“這項(xiàng)研究挑戰(zhàn)了柔性電路制造的現(xiàn)狀。通過(guò)拉動(dòng)墨水而非擠壓墨水，我們獲得了前所未有的對(duì)結(jié)構(gòu)、速度和尺寸的控制——所有這些都僅需一根針即可實(shí)現(xiàn)。這不僅僅是一種打印方法，更是對(duì)我們構(gòu)建三維電路方式的重新思考。這對(duì)于可穿戴技術(shù)和軟體機(jī)器人技術(shù)的影響是深遠(yuǎn)的。”

流體拉伸法為下一代電路設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的工具，尤其是在柔性和可穿戴電子產(chǎn)品領(lǐng)域。這種高精度和機(jī)械耐久性適用于傳統(tǒng)打印技術(shù)無(wú)法勝任的應(yīng)用，例如柔性醫(yī)療傳感器、可拉伸光顯示器和緊湊型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。由于它無(wú)需多層布線(xiàn)和通孔鉆孔，因此可以縮短生產(chǎn)時(shí)間和降低成本，同時(shí)提升定制化程度。展望未來(lái)，這種方法可能會(huì)通過(guò)啟發(fā)油墨創(chuàng)新和熱設(shè)計(jì)策略來(lái)影響更廣泛的增材制造領(lǐng)域，從而支持更多材料和基材。