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  軟硅膠具有優(yōu)異的柔韌性、回彈性、生物相容性、化學(xué)及熱穩(wěn)定性，在軟體機(jī)器人、柔性電子、仿生器件及可植入醫(yī)用設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，其固有的粘彈性和低模量使得對(duì)軟硅膠材料的高精度3D打印難以實(shí)現(xiàn)。考慮到光敏基團(tuán)潛在的生物危害性和對(duì)軟硅膠復(fù)合材料增材制造的迫切性，探索軟硅膠材料的新型3D打印技術(shù)意義重大。

  近期卡爾斯魯厄理工學(xué)院王義亮和Norbert Willenbacher教授提出了一種高分辨率軟硅膠微結(jié)構(gòu)的快速墨水直寫3D打印技術(shù)（HOT-DIW）。通過(guò)在液體硅膠中構(gòu)建二氧化硅納米顆粒和石蠟微米顆粒雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了打印墨水的模量和屈服強(qiáng)度，同時(shí)賦予了其良好的溫度敏感性。當(dāng)墨水通過(guò)高溫打印頭時(shí)，內(nèi)部石蠟發(fā)生固-液相變導(dǎo)致顆粒網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)遭到破壞，降低了粘度、模量及屈服強(qiáng)度，使得墨水更易流動(dòng)和擠出。打印完成后，在較低的室溫環(huán)境中，石蠟發(fā)生液-固相變使得內(nèi)部顆粒網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)重新形成，墨水的流變性能得到恢復(fù)，確保了高分辨率打印結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

圖1 高分辨率軟硅膠結(jié)構(gòu)的快速墨水直寫3D打印

  通過(guò)控制自研HOT-DIW直寫打印系統(tǒng)的壓力（P）、打印速度（V_s）及打印頭溫度（T）即可實(shí)現(xiàn)對(duì)墨水?dāng)D出的精確定位和痕量控制。在特定條件下（45 °C, 80 bar, 100 μm針頭）,該系統(tǒng)最高可實(shí)現(xiàn)3100 mm min^-1的高速打印。此外，該技術(shù)獲得的打印絲直徑最低僅為50 um，是目前軟硅膠材料直寫3D打印分辨率的最高記錄。

圖2 高分辨率3D打印軟硅膠結(jié)構(gòu)及其表面功能化

  HOT-DIW策略獲得的軟硅膠結(jié)構(gòu)非常容易實(shí)現(xiàn)表面功能化，同時(shí)硅膠內(nèi)部石蠟可以通過(guò)簡(jiǎn)單的溶劑處理去除。該技術(shù)可用于構(gòu)建微型柔性電子器件，例如，經(jīng)碳納米管表面功能化的3D打印網(wǎng)格可作為柔性壓力傳感器的傳感層。得益于多層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的高分辨率，超薄傳感器具有很高的靈敏度（57.5 kPa^-1）和很寬的檢測(cè)范圍（30 Pa-500 KPa）。

圖3 高分辨率3D打印軟硅膠結(jié)構(gòu)用于構(gòu)筑高性能柔性壓力傳感器

  此外，軟硅膠三維結(jié)構(gòu)的高分辨率也可以提升超疏水表面和仿生器件的性能，比如，經(jīng)碳納米管沉積的3D打印網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可作透氣超疏水器件，實(shí)現(xiàn)了水滴的快速收集和運(yùn)輸；得益于高精度的3D打印溝道結(jié)構(gòu)和所含的石蠟及碳納米管，仿生水稻葉片具有非常優(yōu)異的超疏水性能、定向水運(yùn)輸能力及形狀記憶性能。

  總而言之，他們提出的軟硅膠材料打印策略在智能仿生器件、軟體機(jī)器人和柔性電子等領(lǐng)域潛力巨大。

圖4 高分辨率3D打印軟硅膠結(jié)構(gòu)在仿生及超疏水領(lǐng)域的應(yīng)用

  研究成果近期以“Phase-change enabled, rapid, high-resolution direct ink writing of soft silicone”為標(biāo)題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Advanced Materials上。文章第一作者兼通訊作者為卡爾斯魯厄理工學(xué)院博士后王義亮，共同通訊作者為Norbert Willenbacher教授。該研究得到卡爾斯魯厄理工學(xué)院、清華大學(xué)、德國(guó)亥姆霍茲學(xué)會(huì)和中國(guó)博士后管委辦公室的資助與支持。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202109240