香港城市大学王钻开教授团队《Adv. Mater.》：基于全固态离子导电弹性体高精度3D打印智能柔性器件

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3D打印作为一种快速发展的数字化成型技术，在不依靠任何模具制品的前提下，可以实现从计算机辅助设计到复杂3D实体之间的跨越。在众多3D打印技术中，数字光处理（DLP）具有打印速度快、分辨率高、成本低等优点，在医疗设备、航空航天结构、智能电子器件和软机器人等工程应用中显示出无与伦比的优越性。然而，目前3D打印依然受到各种因素的限制，尤其是可选择的打印材料种类非常有限，并且常用的热固性或热塑性树脂是刚性和非导电材料，极大地限制了3D打印在柔性电子器件中的应用。近年来，3D 打印软导电材料（如水凝胶/离子凝胶）的快速发展为可穿戴触觉设备和生物电子等智能应用开辟了新机遇，但是仍然面临一些无法逾越的瓶颈：水凝胶/离子凝胶内液体容易蒸发或泄漏，导致其电学和机械性能的稳定性欠佳。虽然通过设计光固化离子弹性体可以克服这些难题，但是目前大多数离子弹性体的光聚合动力学较慢和光固化效率极低。因此，迄今鲜有高精度3D打印的离子弹性体被报道。

基于此，香港城市大学王钻开教授团队报道了一种可快速光固化的全固态导电离子弹性体（SCIE），实现了导电软材料的高分辨率3D打印，从根本上解决了3D打印凝胶在应用中溶剂蒸发或泄露的难题。与传统3D打印导电凝胶相比，SCIE不仅能打印出高分辨率的悬垂晶格结构（~50 μm）,而且在较宽的温度范围内展现出优秀的力学性能、可拉伸性、导电性以及抗疲劳能力。通过设计与优化拓扑结构，3D 打印柔性触觉传感器表现出高无结构设计传感器几倍的灵敏度。此外，SCIE还具有优异的普适性，可以与其他功能性无机材料复合，为 3D打印功能材料的设计提供了新范式，同时也推动了 3D打印在智能柔性电子器件中的应用。

图1. 3D打印SCIE的设计和优点。（a和b）SCIE的实物照片和分子设计。（c）SCIE的电压-电流曲线。(d) SCIE的光固化动力学。（e）SCIE的机械性能。（f）SCIE与商用打印材料粘度的对比。（g）SCIE和常用3D打印软材料的杨氏模量、导电性、固化速度和流动性的对比。

图2. SCIE的3D打印性能表征。（a）DLP 3D打印装置示意图。（b）打印微米级结构的SEM图像。（c）打印封闭微流控通道的实物照片。（d）实现高精度3D打印机理的示意图。（e）SCIE和水凝胶的长时间电导率变化。（f）对比SCIE和文献中报道3D打印软材料的电导率和杨氏模量。 

图3. 3D打印压阻传感器的拓扑设计与触觉性能。（a）通过拓扑设计增强打印构件的压缩应变恢复能力。（b）3D打印构件的光学图像及其截面应力分布。（c）对比3D打印构件和文献中报道弹性材料的抗疲劳性。（d）3D打印螺旋二十四面体作为压阻传感器的优点。（e） 不同拓扑结构压阻传感器在不同压力刺激下的电阻变化。（f）3D打印螺旋二十四面体传感器在不同频率压力刺激下电阻变化。

图4.可伸缩微电路的一步打印及其高灵敏度电容式传感器设计。（a）可伸缩微电路一步打印的示意图。（b）打印微电路的拉伸性能。（c）与现有打印微电路的拉伸性能和制备时间的对比。（d）拓扑结构设计增加电容式传感器的灵敏度。（e）不同厚度的空隙结构压阻传感器在不同压力刺激下的电容变化。（f）对比打印电容传感器和传统压力传感器的灵敏度和最小检测压力。

相关成果以“3D printed, solid-state conductive ionoelastomer as a generic building block for tactile applications”为题发表于Advanced Materials。本文的第一作者是香港城市大学博士后研究员张超博士、郑焕玺博士和孙静博士，通讯作者是香港城市大学王钻开教授。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202105996 

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