青島理工大學：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)良的電學和光學性能，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，青島理工大學機械與汽車工程學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