張勇霞 張廣明 周龍健 周賀飛 許 權(quán) 蘭紅波

青島理工大學(xué)山東省增材制造工程技術(shù)研究中心，青島，266520

0 引言

隨著當(dāng)今社會(huì)電子技術(shù)逐漸向柔性化、輕量化方向迅速發(fā)展，傳統(tǒng)剛性電路板已難以滿(mǎn)足電子器件的需求。柔性電子因其優(yōu)異的彎折性能、簡(jiǎn)易低成本的制造技術(shù)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電子市場(chǎng)，例如柔性顯示屏[1-2]、傳感器[3-6]、光伏電池[7-8]、有機(jī)發(fā)光二極管[9-10]、射頻識(shí)別(RFID)電子標(biāo)簽[11-13]以及可穿戴電子設(shè)備[14]等。然而，目前市場(chǎng)應(yīng)用于柔性電子設(shè)備的基材大多屬于有機(jī)塑料[15-16]，如PET、PEN、PI等，這類(lèi)基材原料成本高，而且在自然環(huán)境下難以降解，容易產(chǎn)生污染。近年來(lái)，紙質(zhì)基材本著可生物降解、柔韌、一次性使用、綠色環(huán)保等發(fā)展理念，紙基柔性電路逐漸成為柔性電子主力軍[17-20]。

目前制備紙基電路的技術(shù)主要包括：印刷技術(shù)(凹版印刷、絲網(wǎng)印刷、柔性印刷、膠版印刷)、噴墨打印[21]等。其中，印刷技術(shù)雖然具有高效率、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，但存在一定的局限性，例如柔性印刷[22]時(shí)柔性板上的圖案易發(fā)生變形，導(dǎo)致印刷分辨率降低(大于40 μm)，且印版壓在基底上擠壓油墨導(dǎo)致印刷圖案邊緣形成暈圈狀形狀；凹版印刷的凹版輥制造昂貴，印刷油墨的黏度受限(黏度小于0.02 Pa·s)，太低的黏度會(huì)導(dǎo)致印刷單元脫落引發(fā)漏??；絲網(wǎng)印刷適應(yīng)性強(qiáng)，但印刷精度低，印刷厚度不均勻(3～15 μm)；膠版印刷必須使用具有合適表面張力的高黏度油墨，雖然可實(shí)現(xiàn)較高分辨率，但是水的存在以及膠印油墨的黏度限制使此技術(shù)存在一定的局限性；噴墨打印[23]同樣存在打印分辨率低(大于20 μm)，受打印材料黏度的限制(小于0.03 Pa·s)的缺點(diǎn)。因此，急需開(kāi)發(fā)一種在紙質(zhì)基材上實(shí)現(xiàn)高分辨率制造的新技術(shù)。

結(jié)合高黏度低溫?zé)Y(jié)納米銀漿和微尺度增材制造工藝的優(yōu)勢(shì)，本文提出了一種基于電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積微3D打印(electric-field-driven micro-scale 3D printing，EFD)[24-25]制造高分辨率紙基電子新方法，它既簡(jiǎn)化了紙基電路制造步驟，又解決了當(dāng)前技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)高分辨率、大高寬比的難題，為探索高性能柔性紙基電路制造提供了一種全新的解決方案。

1 電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積微3D打印高分辨率紙基電路制造方法

1.1 工藝基本原理

紙基電子/電路制造技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積微3D打印是本研究制造高分辨率紙基電路的核心技術(shù)。與電噴印和壓力驅(qū)動(dòng)型3D打印成形原理不同，電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積微3D打印是一種基于靜電感應(yīng)和電流體動(dòng)力學(xué)的微噴射沉積成形技術(shù)，其基本原理如圖1所示。設(shè)備主要由供電模塊(高壓電源)、供料模塊、運(yùn)動(dòng)模塊組成，如圖1a所示；工作時(shí)將高壓電源正極與導(dǎo)電噴嘴連接，無(wú)需接地的對(duì)電極，壓縮氣體經(jīng)噴嘴背部將打印材料推至噴嘴尖端，形成彎液面，通過(guò)自激發(fā)靜電場(chǎng)，彎液面表面的打印材料在電場(chǎng)中極化且?guī)в袠O化正電荷，在打印噴頭尖端形成泰勒錐[26]，打印基材上表面在電場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)負(fù)電荷，利用電流體動(dòng)力噴射作用并結(jié)合電荷誘導(dǎo)自對(duì)正[27]，將微擠壓成形和連續(xù)錐射流(圖1b)兩種新型工作模式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高效、低成本、大面積的微尺度3D打印。

表1 紙基電子/電路制造技術(shù)Tab.1 Paper-based electronics/`circuit manufacturing technology

(a)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

(b)兩種打印工作模式圖1 電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積微3D打印工藝原理Fig.1 The forming principle of EFD 3D printing

1.2 制造方法與工藝流程

本文提出利用電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射微3D打印制造高性能柔性紙基電路的基本方法，選用高黏度低溫?zé)Y(jié)納米銀漿為打印材料，在不同紙質(zhì)基材(辦公用紙、銅版紙、相紙)上使用單電勢(shì)EFD 3D打印工藝直接在紙質(zhì)基材上打印微尺度復(fù)雜圖案；隨后采用低溫?zé)Y(jié)工藝進(jìn)行銀線(xiàn)導(dǎo)電化處理，制備出高性能紙基電路。該方法的主要工藝步驟包括：金屬(銀)圖案設(shè)計(jì)和優(yōu)化；紙質(zhì)基材表面預(yù)處理和納米銀漿打印材料的準(zhǔn)備；金屬(銀)圖案電路打??；金屬電路燒結(jié)導(dǎo)電化處理；安裝電子元件；完整電路覆膜封裝。如圖2所示，具體步驟如下：

(c)安裝電子元件與后處理 (d)金屬圖案導(dǎo)電化處理圖2 EFD 3D打印紙基電路制造工藝流程Fig.2 EFD 3D printing paper-based circuit manufacturing process flow

(1)打印材料準(zhǔn)備。紙質(zhì)基材表面預(yù)處理，使用無(wú)塵布進(jìn)行表面污垢和灰塵的清潔，防止在打印過(guò)程中，基材表面的污垢混入導(dǎo)電銀漿，使得打印圖案出現(xiàn)斷裂或形成較大的液滴；根據(jù)打印基材選擇打印材料，由于紙質(zhì)基材不耐高溫等特性，本文需制備高黏度、高銀含量低溫?zé)Y(jié)納米銀漿，為實(shí)現(xiàn)高性能紙基電子提供較好的材料支撐。

(2)3D打印金屬圖案。將打印文件輸入電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積微納3D打印設(shè)備中，結(jié)合高黏度低溫?zé)Y(jié)納米銀漿打印材料，選定優(yōu)化的打印工藝參數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化出的金屬圖案類(lèi)型(線(xiàn)圈、叉指、網(wǎng)格、多邊形等)、尺寸(周期、線(xiàn)寬、高寬比等)，在不同紙質(zhì)基材上打印出金屬圖案，滿(mǎn)足高分辨率和大高寬比要求。

(3)金屬圖案導(dǎo)電化處理。將打印的金屬圖案和紙質(zhì)基材置于真空條件下加熱固化，可使用中控干燥箱、加熱板、烘箱等，其中，燒結(jié)溫度與時(shí)間要根據(jù)所用納米銀漿的燒結(jié)參數(shù)來(lái)設(shè)置，對(duì)金屬圖案進(jìn)行燒結(jié)，實(shí)現(xiàn)其導(dǎo)電化。

(4)安裝電子元件與后處理。金屬圖案導(dǎo)電化完成后，根據(jù)實(shí)際要求安裝電子元件和覆膜封裝或涂層處理等，例如LED燈陣中需要安裝燈珠，RFID標(biāo)簽天線(xiàn)制備過(guò)程中需要安裝芯片等。

本文提出的結(jié)合電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射微3D打印和高黏度低溫?zé)Y(jié)納米導(dǎo)電銀漿制造高分辨率柔性紙基電路的新方法具有的突出優(yōu)勢(shì)如下：①高分辨率、微型紙基器件，無(wú)需使用凹版印刷、柔性印刷等造價(jià)高、材料浪費(fèi)嚴(yán)重的設(shè)備，材料利用率接近100%，可生物降解；②一步成形，工藝簡(jiǎn)單，效率高；③工藝適應(yīng)性強(qiáng)和柔性好，無(wú)需模具，能夠?qū)崿F(xiàn)不同特征尺寸金屬圖案的快速制造；④可應(yīng)用的金屬網(wǎng)格材料種類(lèi)較多，幾乎不受黏度的限制，實(shí)現(xiàn)了多種材料打印金屬網(wǎng)格的制造；⑤適合的紙質(zhì)基材廣泛，諸如辦公用紙、銅版紙、相紙、透明紙等，相應(yīng)地，紙基柔性電路可應(yīng)用范圍廣，例如紙基超高頻RFID標(biāo)簽天線(xiàn)、壓力傳感器、微型超級(jí)電容器、微流控等。

2 實(shí)驗(yàn)研究與工藝優(yōu)化

2.1 實(shí)驗(yàn)材料和裝置

本實(shí)驗(yàn)設(shè)備為電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積微納3D打印機(jī)，所用到的材料主要有：①辦公用紙，尺寸100 mm×100 mm，厚度100 μm；②銅版紙，尺寸100 mm×100 mm，厚度200 μm；③相紙，尺寸100 mm×100 mm，厚度250 μm；④銀圖案材料為納米銀導(dǎo)電漿料，其主要性能參數(shù)如下：動(dòng)力黏度350 dPa·s(25 ℃)，銀含量(體積分?jǐn)?shù))約75%，銀顆粒直徑300～500 nm，電阻率250 mΩ·μm，燒結(jié)溫度60 ℃，燒結(jié)時(shí)間60 min。采用自主研發(fā)的電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積微3D打印機(jī)打印銀線(xiàn)柵和圖案，打印噴頭選用內(nèi)徑150 μm的錐形噴頭。

2.2 紙基表面結(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)選用整體性能較好、使用較為普及的相紙、銅版紙和辦公用紙作為打印研究目標(biāo)基材。其中，相紙為RC相紙，其表面涂有防水的PE(塑膠樹(shù)脂)涂層，它的涂層采用納米級(jí)的二氧化硅材料(顆粒直徑在150 nm以下)，形成極細(xì)微的無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合微粒，具有吸墨快、平整度好且光亮防水等特點(diǎn)，適合高分辨率的打印，在場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)下的相紙表面光滑平整，如圖3a所示；銅版紙又稱(chēng)印刷涂布紙，是在原紙表面涂一層白色涂料，經(jīng)超級(jí)壓光加工而成，其表面光滑、潔白度高、吸墨著墨性能很好，在SEM下表面結(jié)構(gòu)如圖3b所示；辦公用紙為A4普通噴墨打印用紙，其表面布滿(mǎn)較為雜亂的纖維，光澤度和平整度較差，如圖3c所示。

(a)相紙 (b)銅版紙 (c)辦公用紙圖3 SEM下紙的表面結(jié)構(gòu)Fig.3 Surface structure of paper under SEM

由于不同紙基材表面結(jié)構(gòu)(表面粗糙度、表面噴涂材料等)有差異，在打印過(guò)程中會(huì)使打印材料在感應(yīng)電場(chǎng)中受力大小不相同，從而導(dǎo)致打印銀線(xiàn)效果不一致(線(xiàn)寬、線(xiàn)邊緣粗糙度等)，以及銀線(xiàn)與紙質(zhì)基材表面的附著力大小不同。為探究電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射微3D打印技術(shù)在紙基上穩(wěn)定打印超微細(xì)線(xiàn)寬的可行性，首先需要研究不同工藝參數(shù)下的銀線(xiàn)線(xiàn)寬及形貌。影響銀線(xiàn)線(xiàn)寬及形貌的主要工藝參數(shù)有電壓、氣壓、打印速度。為此，本實(shí)驗(yàn)在三種基材上分別討論工藝參數(shù)對(duì)銀線(xiàn)打印效果的影響及規(guī)律。

2.3 三種紙上打印結(jié)果及討論

分別在RC相紙、銅版紙和A4辦公用紙上，采用電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積微3D打印技術(shù)，研究主要工藝參數(shù)對(duì)打印銀線(xiàn)線(xiàn)寬和形貌的影響及規(guī)律。由于電壓是電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積微3D打印最重要的工藝參數(shù)，故根據(jù)單一變量法，工藝參數(shù)的研究步驟依次是電壓、氣壓和打印速度。

2.3.1不同電壓下的泰勒錐形貌與銀線(xiàn)形貌

為確定合適穩(wěn)定連續(xù)打印的電壓，其他工藝參數(shù)保持不變：氣壓150 kPa，高度300 μm，從零開(kāi)始逐漸增大電壓，觀察噴嘴尖端泰勒錐形貌和錐射流的形成，如圖4a所示。隨著電壓從100 V增大到800 V，噴嘴下端的彎液面逐漸拉長(zhǎng)，在600 V處形成泰勒錐，因此，其臨界電壓設(shè)定為600 V。確定錐射流形成電壓后，需進(jìn)一步確定適合打印的電壓。圖4b所示為打印電壓與銀線(xiàn)形貌的關(guān)系。當(dāng)電壓過(guò)低時(shí)，銀線(xiàn)表現(xiàn)為斷斷續(xù)續(xù)不成線(xiàn)的形貌，這是由于較低的電壓所產(chǎn)生的電場(chǎng)力不足以形成穩(wěn)定的錐射流，導(dǎo)致打印銀線(xiàn)不連續(xù)；增大電壓，錐射流逐漸穩(wěn)定，銀線(xiàn)邊緣粗糙度開(kāi)始減?。坏妷撼^(guò)一定的閾值(穩(wěn)定噴射的上限)后，會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的感應(yīng)電場(chǎng)，導(dǎo)致打印材料濺射到基材表面，甚至噴嘴尖端會(huì)擊穿紙質(zhì)基材而導(dǎo)致短路，因此，對(duì)于本研究可適合打印電壓為800～1000 V。由實(shí)驗(yàn)可知，對(duì)于本研究的三種不同紙質(zhì)基材，錐射流形成電壓相同，且合適打印電壓范圍一致，故只在RC相紙基材表面進(jìn)行討論研究。

(a)泰勒錐及錐射流演變過(guò)程

(b)電壓與銀線(xiàn)形貌的關(guān)系圖4 打印電壓對(duì)泰勒錐和銀線(xiàn)形貌的影響Fig.4 The influence of printing voltage on the morphology of Taylor cone and silver line

2.3.2氣壓與打印速度對(duì)不同紙基的打印效果及規(guī)律

打印速度和氣壓是一對(duì)協(xié)同參數(shù)，其中打印速度影響著銀線(xiàn)的生產(chǎn)效率，打印氣壓決定了噴頭內(nèi)材料的擠出量，兩者比值應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)。為此，本文通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察銀線(xiàn)形貌與線(xiàn)寬，確定合適的打印氣壓與打印速度。其中，電壓設(shè)定為900 V(800～1000 V)，噴頭與基材高度設(shè)定為150 μm。相紙、銅版紙和辦公用紙打印速度分別為10 mm/s、15 mm/s、8 mm/s時(shí)，不同氣壓對(duì)打印銀線(xiàn)影響的效果及規(guī)律如圖5a～圖5c所示；氣壓為160 kPa時(shí)，不同打印速度在相紙、銅版紙和辦公用紙打印銀線(xiàn)效果及規(guī)律曲線(xiàn)如圖5d～圖5f所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在RC相紙表面打印時(shí)，當(dāng)打印氣壓從90 kPa增大到260 kPa時(shí)，銀線(xiàn)線(xiàn)寬從13 μm增大到38.5 μm，當(dāng)打印速度從10 mm/s增大到50 mm/s時(shí)，銀線(xiàn)線(xiàn)寬從23.8 μm減小到10.9 μm；在銅版紙表面打印時(shí)，當(dāng)打印氣壓為80 kPa時(shí)，銀線(xiàn)因氣壓過(guò)小出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，打印氣壓緩慢增大到260 kPa后，銀線(xiàn)線(xiàn)寬從20.5 μm增大到72.5 μm，當(dāng)打印速度從5 mm/s增大到30 mm/s時(shí)，銀線(xiàn)線(xiàn)寬從82.1 μm減小到10.3 μm；在A4辦公用紙表面打印時(shí)，當(dāng)打印氣壓從80 kPa緩慢增大到260 kPa后，銀線(xiàn)線(xiàn)寬從32.5 μm增大到96.2 μm，當(dāng)打印速度從1 mm/s增大到15 mm/s時(shí)，銀線(xiàn)線(xiàn)寬從338 μm減小到53.6 μm。打印速度過(guò)小時(shí)，銀漿材料會(huì)堆積在噴嘴尖端形成積瘤，導(dǎo)致銀線(xiàn)出現(xiàn)大點(diǎn)，分辨率降低；打印速度相對(duì)過(guò)大時(shí)，拖拽力接近銀漿表面張力，泰勒錐被拉斷，造成銀線(xiàn)不連續(xù)。三種紙質(zhì)基材合適的打印速度以及銀線(xiàn)線(xiàn)寬及形貌的不同是由其本身表面結(jié)構(gòu)決定的，相紙和銅版紙表面較為光滑，而辦公用紙表面布滿(mǎn)復(fù)雜纖維。因此，綜合考慮分辨率和銀線(xiàn)一致性，對(duì)于RC相紙，較為合適的打印速度為20～50 mm/s；對(duì)于銅版紙，優(yōu)化后的打印速度為10～25 mm/s；對(duì)于A4辦公用紙，優(yōu)化出的打印速度為5～10 mm/s；較為適合的打印氣壓為120～180 kPa。

3 案例研究

3.1 復(fù)雜導(dǎo)電圖案打印能力

電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射微3D打印設(shè)備具有識(shí)別復(fù)雜線(xiàn)路程序功能，可在不同紙基上打印復(fù)雜金屬網(wǎng)柵，例如圓形、菱形、五角形等，如圖6a所示。

結(jié)合優(yōu)化出的工藝參數(shù)，在已處理好的紙質(zhì)基材表面進(jìn)行打印，得到不同紙基復(fù)雜圖案導(dǎo)電線(xiàn)路，如圖6b所示，從左至右分別為：在辦公紙表面打印半徑為1 mm、面積為5 cm×5 cm的圓形網(wǎng)柵圖案；在銅版紙表面打印面積為5 cm×5 cm的菱形網(wǎng)柵圖案；在RC相紙表面打印邊長(zhǎng)為4 mm、面積為6 cm×6 cm的五角形網(wǎng)柵圖案。

3.2 多層堆積電路及其電學(xué)性能研究

根據(jù)本文方法和低溫?zé)Y(jié)高黏度納米銀漿，并結(jié)合優(yōu)化出的工藝參數(shù)，在已處理過(guò)的RC相紙、銅版紙和A4辦公用紙表面分別以50 mm/s、25 mm/s和10 mm/s的打印速度進(jìn)行多層銀線(xiàn)的堆積，打印過(guò)程中保持線(xiàn)寬一致，其他工藝參數(shù)如下：打印電壓800 V，打印氣壓160 kPa，打印高度150 μm。打印結(jié)果如圖7所示。

(a)RC相紙表面氣壓與 銀線(xiàn)線(xiàn)寬及形貌的關(guān)系 (b)銅版紙表面氣壓與 銀線(xiàn)線(xiàn)寬及形貌的關(guān)系 (c)辦公紙上氣壓與銀線(xiàn)線(xiàn)寬及形貌的關(guān)系

(d)RC相紙表面打印速度與 銀線(xiàn)線(xiàn)寬及形貌的關(guān)系 (e)銅版紙表面打印速度與 銀線(xiàn)線(xiàn)寬及形貌的關(guān)系 (f)辦公紙表面打印速度與銀線(xiàn)線(xiàn)寬及形貌的關(guān)系圖5 表面氣壓與打印速度對(duì)銀線(xiàn)線(xiàn)寬及形貌的影響規(guī)律Fig.5 Influence of air pressure and printing speed on the line width and morphology of silver wire

(a)圓形、菱形、五角形網(wǎng)柵設(shè)計(jì)

(b)圓形、菱形、五角形金屬網(wǎng)柵打印圖6 復(fù)雜金屬網(wǎng)柵設(shè)計(jì)與打印Fig.6 Complex metal-mesh design and printing

(a)RC相紙表面

(b)銅版紙表面

(c)A4辦公用紙表面圖7 在不同紙基表面進(jìn)行銀線(xiàn)多層堆積Fig.7 Multi-layer stacking of silver wires on different paper surfaces

由圖7可知，紙基表面堆積銀線(xiàn)的高度隨堆積層數(shù)的增加而增大，高寬比也隨之增大。在RC相紙表面(圖7a)，堆積3層銀線(xiàn)的高寬比為1.28，堆積15層后，高寬比增加到6.33；在銅版紙表面(圖7b)，堆積3層銀線(xiàn)的高寬比為1.6，堆積15層后，高寬比增加到5.2；在A4辦公用紙表面(圖7c)，堆積1層銀線(xiàn)的高寬比為0.21，堆積7層后，高寬比增加到0.79。

紙基電路的電學(xué)性能是通過(guò)銀線(xiàn)電阻進(jìn)行評(píng)價(jià)的，本文使用四探針測(cè)量方法對(duì)不同堆積層數(shù)的銀線(xiàn)(選取1cm單位長(zhǎng)度)進(jìn)行電阻測(cè)量及表征，圖8所示為三種不同紙基表面，堆積層數(shù)對(duì)電阻的影響及規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在銅版紙表面打印時(shí)，打印銀線(xiàn)從1層堆積到15層后，電阻降低92.5%；在RC相紙表面，打印銀線(xiàn)從1層堆積到15層后，電阻降低94.8%；在A4辦公用紙表面，打印銀線(xiàn)從1層堆積到8層后，電阻降低90.88%。這表明為實(shí)現(xiàn)高性能紙基電路，可使用EFD 3D打印堆積多層銀線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)大高寬比導(dǎo)電銀線(xiàn)，從而得到高分辨率、高導(dǎo)電性的紙基電路。

圖8 對(duì)不同紙基表面打印銀線(xiàn)進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)試Fig.8 Characterization of electrical performance of sliver wires on different paper surfaces

3.3 柔性電磁驅(qū)動(dòng)器

隨著柔性電子的發(fā)展，柔性紙基電路及器件受到越來(lái)越多的關(guān)注。本文設(shè)計(jì)并應(yīng)用EFD 3D打印工藝制備了紙基柔性電磁驅(qū)動(dòng)器(flexible electromagnetic actuators，F(xiàn)EMAs)，考慮到基本的物理原理，F(xiàn)EMAs可以被建模為磁場(chǎng)中的一系列導(dǎo)電導(dǎo)線(xiàn)，其工作原理如圖9a所示。根據(jù)洛侖茲力定律：

式中，I為通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)的電流，dl為導(dǎo)線(xiàn)的無(wú)限小段，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。

本文使用平板磁鐵來(lái)產(chǎn)生軸對(duì)稱(chēng)磁場(chǎng)。線(xiàn)圈電流會(huì)引起更強(qiáng)的焦耳熱，這意味著FEMAs需要較低的電阻。為此，本實(shí)驗(yàn)結(jié)合優(yōu)化的工藝參數(shù)，應(yīng)用EFD 3D打印工藝和低溫?zé)Y(jié)納米銀漿在A4辦公用紙上打印多層堆積線(xiàn)圈，導(dǎo)電化處理完成后，線(xiàn)圈兩端連接控制系統(tǒng)，為防止導(dǎo)電銀線(xiàn)交叉短路，本實(shí)驗(yàn)使用PDMS作為搭橋，如圖9b所示。其他工藝參數(shù)如下：打印電壓900 V，打印氣壓160 kPa，打印高度150 μm，打印速度8 mm/s。

(a)原理示意圖 (b)打印實(shí)物圖圖9 紙基柔性電磁驅(qū)動(dòng)器Fig.9 Flexible electromagnetic actuators(FEMAs)

將制備好的樣件通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連接到控制系統(tǒng)，并搭建好實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。接通電源后，銀線(xiàn)線(xiàn)圈因磁場(chǎng)產(chǎn)生洛侖茲力，使樣件受力擺動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)節(jié)電壓，控制通過(guò)線(xiàn)圈的電流，觀察樣件擺動(dòng)幅度，記錄其最大擺動(dòng)角度，得到擺動(dòng)角度與通電電流關(guān)系，如圖10所示?？梢钥闯?，F(xiàn)EMAs擺動(dòng)角度與電流幾乎成線(xiàn)性關(guān)系，為得到更大的力(擺動(dòng)角度)，可在保證FEMAs不被燒壞的前提下適當(dāng)增大電流。

圖10 不同電流下FEMA的擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)Fig.10 Swing experiments of FEMA at different currents

本文提出的基于EFD 3D打印紙基柔性電磁驅(qū)動(dòng)器可通過(guò)調(diào)節(jié)打印工藝參數(shù)來(lái)控制銀線(xiàn)線(xiàn)寬和堆積層數(shù)，達(dá)到實(shí)際應(yīng)用中低電阻的要求；若應(yīng)用于水下軟體機(jī)器人的馬達(dá)，可以用PDMS凝膠進(jìn)行封裝，達(dá)到防水效果。磁鐵和軟執(zhí)行器的解耦增加了應(yīng)用空間。例如，在醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人中，核磁共振成像機(jī)可以實(shí)現(xiàn)手術(shù)所需的導(dǎo)航，此外，還可以在人體中提供強(qiáng)大的磁場(chǎng)。采用這種方法有可能使FEMAs成為醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域(如微創(chuàng)醫(yī)學(xué))傳統(tǒng)電磁馬達(dá)和機(jī)器人的替代品。

4 結(jié)論

(1)提出了一種結(jié)合電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射微3D打印和高黏度低溫?zé)Y(jié)納米制備高性能紙基電子的新方法，與現(xiàn)有凹版印刷、絲網(wǎng)印刷、柔性印刷、噴墨打印等技術(shù)相比，該方法具有分辨率高、材料利用率高、生產(chǎn)成本低、工藝適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，為大規(guī)模生產(chǎn)高性能紙基電子提供了強(qiáng)有力的支持。

(2)揭示了加工工藝(電壓、打印速度、氣壓)對(duì)銀線(xiàn)成形的影響及規(guī)律，并優(yōu)化出最優(yōu)工藝窗口。

(3)利用自主研發(fā)的電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積微3D打印設(shè)備，結(jié)合優(yōu)化加工工藝參數(shù)，在未經(jīng)處理的相紙、銅版紙和辦公用紙上進(jìn)行銀線(xiàn)的多層堆積，以提高銀線(xiàn)的高寬比，增強(qiáng)其電學(xué)性能。

(4)在A4辦公用紙表面制備了紙基柔性電磁驅(qū)動(dòng)器，并進(jìn)行了不同電壓下的擺動(dòng)幅度測(cè)試，讓其成為醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域(如微創(chuàng)醫(yī)學(xué))傳統(tǒng)電磁馬達(dá)和機(jī)器人的替代品成為可能；并且在不同紙基表面制備出復(fù)雜圖形導(dǎo)電線(xiàn)路和柔性電磁驅(qū)動(dòng)器，為未來(lái)紙基柔性電子的發(fā)展提供了一種全新工藝。