多材料集成3D微纳结构电子器件直写打印技术的研究

3D direct ink writing technology has tremendous potentials for the development of new materials and new applications in electronic devices. In order to realize the broad functionalities of the printed electronics, the high-resolution printing and the heterogeneous integration of multiple materials are often required. However, the existing 3D direct ink writing methods are limited by the choice of materials and printhead designs, and therefore it is still difficult to achieve breakthroughs in the field of 3D printed electronics. This project proposes for the first time, a new printing scheme combining multiscale stereolithography technology to realize µm scale and sub-µm scale resolution microfluidic printheads for 3D direct ink writing. This method can achieve fast, high-precision parallel printing and multimaterial heterogenous integration. Specifically, we will perform the following tasks: 1) develop a broad series of functional nanocomposite materials for printed electronics applications; 2) reveal rheological properties of multimaterial extrusion through complex printhead structures; 3) investigate material solidification parameters after printing; 4) systematically characterize the mechanical and electrical properties of 3D printed materials; 5) design and fabricate multimaterial integrated 3D electronic device structures. This research will provide new methodologies for exploring new materials, new structures, mechanical and electrical properties of the 3D printed devices. This proposed research has significant scientific and engineering significance for the development of printed electronics.

3D墨水直写技术对新材料的研发、电子器件的应用有着广阔的前景。为了实现打印电子器件的功能性，往往对结构的精度和多材料的集成性要求较高。而现有的3D墨水直写方法受到材料与打印头结构上的局限，难以在打印3D电子器件领域实现突破。本项目提出一种结合多尺度光固化技术首次实现微米级精度微流控管道的结构作为3D墨水直写的打印头。此方法可首次实现单一材料的快速、高精度平行化打印和多材料异质集成。本项目将针对微观打印和电子器件应用研发新型3D打印功能纳米复合材料墨水；揭示多种材料在复杂打印头结构中挤出的流变性质；研究材料在空间中成型条件；系统表征3D打印材料的力学、电学等性能；设计并制备多材料集成化3D电子器件结构。该研究对探索新型3D打印电子器件的材料、结构、机械与电学性能将提供新方法，对印刷电子学的发展具有重要的科学与工程意义。

该项目重点围绕精密打印材料及工艺的特色研究。在材料方面，研究新型金属、无机纳米材料的合成及其尺寸调控方法。研究长期稳定的纳米复合材料浆料的制备工艺。研究和表征纳米复合材料在烧结过程中粘结剂去除机理及纳米材料生长过程，研发了一系列用于精密直写成型的金属及金属氧化物材料配方。在生物材料方向，该项目围绕不溶胀、生物相容性高、高拉伸率及电学性能的水凝胶方向开展研究，开发了一种柔软（模量 < 5 kPa）且超高拉伸（~1800%）的水凝胶材料。在打印工艺方面，项目研究了新型多材料高速3D打印工艺，实现有机、陶瓷类、金属类材料复合打印。通过光固化打印方式实现精密打印头结构，并通过多材料直写工艺研究了一系列介质、金属材料复合结构成型方法，以实现微米级精度，宏观上厘米至分米级尺度的三维复杂结构的一体化加工。研究基于嵌入式等打印方法的三维自由结构成型工艺及理论。在应用方向，项目组围绕电子增材方向开展研究。开发了一系列基于3D打印技术的新型微电子器件、微型储能结构、光学器件及软体机器人。尤其在生物电子器件方向，项目组围绕3D打印水凝胶及金属-水凝胶复合材料开发了一系列生物电子器件，并展现了它们在柔性致动器、无线供能、生物检测等应用上的独特优势。