液态金属的机电特性催生电子增材制造理论与应用技术革新

增材制造（additive manufacturing，AM）是一种基于“离散叠加”成型机理，以计算机辅助设计/计算机辅助制造为加工环境，通过控制喷头的运动轨迹使打印材料在指定位置逐层堆积，实现复杂二维、三维结构的增量成型技术，当前人们普遍所知的3D打印就是其中的典型代表。增材制造被普遍认为是“第三次工业革命”的重要引擎和核心推动力，相应研发近年来密集引起世界各国工业界和政府的广泛重视，如美国启动了旨在打造全球竞争新优势的增材制造国家计划，欧洲则力求通过实施工业4.0确保对新一轮工业革命的掌控，中国也已提出“中国制造2025”的宏伟蓝图，这些均为波及全球的国家战略。我们从有别于国内外的学术思想出发，提出了一系列变革性液态金属先进制造技术，建立了有关理论与应用技术体系。

制造模式探索方面　笔者实验室创建了有变革传统工业意义的液态金属印刷电子学新领域，提出了系列快速制造电子电路及功能器件的学术思想［21］、技术发明以及旨在发现新型电子墨水的液态金属材料基因组策略［22］，被认为有望改变传统电子及集成电路制造规则。液态金属印刷电子学改变了传统电子工程学的制造理念，其所见即所得的电子直写模式为发展普惠型电子制造技术、重塑个性化电子提供了变革性途径，且具有快速、绿色、低成本等优点。

核心装备发明方面　笔者实验室研发出世界首台液态金属桌面电子电路打印机［23，24］，攻克了相应仪器在通向实用化道路中的一系列关键科学与技术问题，建立了全新原理的常温液态金属打印方法，通过集合上下敲击式进墨、旋转及平动输运、转印乃至压印黏附到基底等复合过程在内的流体输运方式，解决了金属墨水表面张力高，难以通过常规方法平稳驱动的难题。该成果入围“两院院士评选2014年中国十大科技进展新闻”（全国总计20项），2015年入围素有全球科技创新奥斯卡之称的R&D 100 Award Finalist，荣获2015年中国国际高新技术成果交易会“优秀产品奖”，2016年入选美国《大众科学》（Popular Science）中文版评选的2016年度全球100项最佳科技创新等。

上述成果的取得基于对液态金属大量物质科学特性的认识和揭示。比如，笔者实验室通过揭示金属流体与不同基底间润湿特性的调控机制，首次提出并证实了可在任意固体表面和材质上直接制造电子电路的打印技术［25］，并研制出具有普适意义的液态金属喷墨打印机，从而使得“树叶也可变身电路板”（图1.4）。美国MIT Technology Review专门就此撰写专题文章，指出：“该技术如此快捷，没有理由怀疑其将很快进入市场”，此研究也入选“Top IT Story”，业界对此的评论是，“围绕在不同表面打印电路的竞赛可以终结了”。以上工作打破了个人电子制造技术瓶颈和壁垒，使得在低成本下快速、随意地制作电子电路特别是柔性电子器件成为现实，这预示着电子制造正逐步走向平民化。未来，人类社会可能面临一个全新的电子世界。

图1.4　可适应任意材质和表面的液态金属喷墨电子打印机原型及喷印而成的导电图案(www.xing528.com)

在增材制造领域，笔者实验室首次提出并证实了液态金属3D打印的技术思想，并研制出原型装备［26］。与此同时，针对传统3D打印难以兼顾金属及普通墨水在熔点上的巨大差异，因而难以实现耦合打印并组装，笔者实验室探索了不同功能材料的相容性和可同时打印性，由此发展出旨在直接制造终端功能器件的3D机电混合打印技术，首次证实了采用低熔点金属墨水（用作制造电子部件）和非金属墨水（用作制造支撑或绝缘封装基底）交替打印和组装功能器件的可行性［27］。上述工作开启了一条混合打印的新方向，让终端功能器件的全程自动制造和组装成为可能。

迄今，传统3D打印中的导电金属与非导体墨水（如聚合物），由于在熔点上相差数百甚至近千摄氏度，难以适时混合打印，这长期成为业界的重大挑战，因此混合打印技术的建立具有关键意义。此外，从全球范围看，一些也颇具新意和突破性价值的3D打印技术还包括：液相3D打印［28］、柔性电子悬浮3D打印［29］等，在此不一而足。

以上系列液态金属增材制造设备曾多次应邀参加重要展会，有关产品获推荐进入政府采购目录，而当前国际上在该领域的进展基本处于原理探索和论文发表阶段。值得指出的是，美国国防部在2015年9月启动了一项名为“混合柔性电子”的庞大研发计划，并为此投入高达1.7亿美元的资金。作为代表团队之一，其空军研发机构还展示了采用镓铟锡合金制成的柔性天线。与之相比，笔者实验室的工作在时间上超前了许多，且较早实现了在商品化方面的成功应用，推动了新兴工业的发展。

金属3D打印是当今增材制造领域的难点和制高点，由于受技术瓶颈及成本限制，现有装备一般限于工业级应用，尚无法实现大众化和普及化。液态金属3D打印技术改变了传统3D打印主要限于聚合物或高熔点金属的格局。在“大众创业、万众创新”的巨大需求下，这些变革性电子器件快速制造技术可望提供极具个性化的制造工具和手段，为充分发挥大众智力提供有效平台。

以上系列研究的原创性和领先性得到了世界范围的广泛重视和认可，诸多工作先后被国际上众多知名科学杂志、新闻媒体和专业网站报道，如MIT Technology Review、IEEE Spectrum、ASME Today、Phys.org、Chemistry World、National Geographic、Geek、Fox News、CCTV等，在业界引发震动。业界评论：“找到常温下直接制造电子器件的方法，就意味着打开了极为广阔的应用领域乃至通过家用打印机制造电子器件的大门”。液态金属电子及功能器件制造领域的未来发展前景十分广阔。