研究人员为可穿戴设备开发3D 打印镓碳复合材料

2024年6月17日，南极熊获悉，来自葡萄牙英布拉大学的研究人员正在使用镓碳复合材料 3D 打印可穿戴电子产品中的传感器-加热器-电池系统。这些应用需要柔韧、耐用的材料，这些材料在应变下仍能保持功能性。镓基液态金属 (LM) 因其高导电性和流体可变形性而非常适合这些应用。然而，由于镓基液态金属的粘度低且表面张力高，打印它们具有挑战性。

△Ga–CB–SIS 复合油墨在不同基材上的 2D 和 3D 数字印刷适性。（图片来源：科英布拉大学）

相关研究以题为题为“Gallium–Carbon: A UniversalComposite for Sustainable 3D Printing of Integrated Sensor–Heater–BatterySystems in Wearable and Recyclable Electronics/镓-碳：用于可穿戴和可回收电子产品中集成传感器-加热器-电池系统的可持续 3D 打印的通用复合材料”的论文被发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c02706

该团队开发了一种镓-碳黑-苯乙烯异戊二烯嵌段共聚物 (Ga–CB–SIS) 复合材料来解决这些问题。这种复合材料经济高效且可持续，用碳代替银等金属。它可进行数字打印且无需烧结，无需热烧结，可实现多层 3D 打印。该复合材料还具有对各种基材（包括热敏材料）的出色粘附性。

△Ga–CB–SIS 复合材料：（A）构成材料、特性、3D 打印；（B）应用；（C）集成传感器-加热器-电池系统的制造。

Ga-CB-SIS 可发挥多种功能，包括作为互连件、传感器、加热器和储能电极。它在暴露于溶剂蒸汽时具有自修复特性，有助于有效修复电路。此外，该复合材料可回收利用，并已证明使用深共晶溶剂 (DES) 可回收镓。

该复合材料的开发涉及优化 CB/Ga 比率以平衡导电性和机械完整性。发现 0.043 的 CB/Ga 比率是最佳的，可实现低电阻和应变下的稳定行为。该比率还确保了可打印性和可拉伸性，使该复合材料适用于各种应用，包括低电阻加热器、电池和电气互连。

总体而言，Ga–CB–SIS 代表了可穿戴和可回收电子产品 3D 打印的可持续解决方案，将传感器、电池和加热功能集成到单个设备中。该复合材料的特性和可打印性为柔性和可拉伸电子产品的创新应用打开了大门。