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亮點

1. 通過一套自制的精密旋轉噴墨打印設備，在超低直徑纖維表面（最小打印線寬133 μm，可打印纖維直徑低至500 μm，曲率達到4000 mˉ1）實現(xiàn)高精度和可定制的微加工，并用于構筑高性能可穿戴1D可拉伸電子器件。

2. 這種制造方法是非破壞性的，通過印刷具有可拉伸結構的導電油墨和優(yōu)選纖維基底制備的一維可拉伸導體在實際應用中表現(xiàn)出出色的導電性、機械穩(wěn)定性和應變不敏感特性。

3. 幾種可穿戴一維可拉伸電子器件應用被證明，包括纖維形電熱器件、應變傳感器和超級電容器。

論文簡介

個人電子產(chǎn)品的小型化和便攜化趨勢導致了可穿戴電子產(chǎn)品的快速發(fā)展?？衫?D纖維形電子器件由于其體積小、能夠編織成織物、對頻繁機械變形的適應性和高透氣性而顯示出更多的優(yōu)勢。通過紡織技術、納米技術和電子學的跨學科融合，高性能1D可拉伸纖維形電子學取得了顯著進展，還實現(xiàn)了各種1D可伸展導體，這是實現(xiàn)1D可拉伸纖維形電子學的主要基礎。然而，目前大多數(shù)制造技術主要圍繞順序涂覆和溶液擠出展開，通常難以在纖維表面實現(xiàn)精密的微制造。這可能限制某些1D可拉伸電子部件的實現(xiàn)，并影響1D可拉伸纖維形電子部件的性能。噴墨打印技術是一種潛在的解決方案，因為它可以精確控制噴嘴和纖維的旋轉，有望在纖維表面構建復雜的電子器件。此外，噴墨打印是一種非破壞性加工方法，可以在提供噴墨工藝定制的同時保持纖維基底的機械性能。

因此，栗大超教授團隊以噴墨打印技術為基礎，搭建了一套高精度旋轉噴墨打印設備用于制備高性能一維可拉伸纖維形器件。主要利用自編程軟件對預定義的圖案進行切片，并協(xié)同控制噴嘴和精確的旋轉電機將墨水打印到纖維形基材上。該設備允許最小打印線寬為133μm，可打印纖維形基底直徑低至500μm，曲率大至4000mˉ1，證明了其在大曲率回轉體表面先進的微加工能力。最后，幾種高性能1D可拉伸纖維形電子器件被制備證明，包括纖維形電熱裝置、應變傳感器和超級電容器。

圖文導讀

1. 用于制造1D纖維形電子器件的噴墨打印技術

如圖1b-c所示，自建的旋轉噴墨打印設備包括一個直徑為30μm的壓電噴嘴、一個自編程軟件、一對同步電機、一臺數(shù)碼相機和一個加熱平臺。同步電機上安裝有JTO夾具，用于固定和施加柔性纖維的旋轉運動。自編程軟件協(xié)同控制噴嘴和同步電機，以預定義的圖案將墨滴打印到纖維表面。數(shù)碼相機觀察動態(tài)噴墨打印行為，而加熱平臺有助于促進墨水中乙二醇溶劑的蒸發(fā)，降低流動性。

如圖1h所示，基于不同的加工目的，噴墨打印過程進一步開發(fā)了兩種工作模式：連續(xù)噴墨打印模式和線掃描噴墨打印模式。連續(xù)噴墨打印模式涉及連續(xù)且單向的噴嘴軌跡，用于通過預先設計的可拉伸結構（例如螺旋或蛇形結構）制備可拉伸導體。另一方面，線掃描噴墨打印模式采用線性掃描和往復運動的噴嘴軌跡，用于在直徑小且曲率大的纖維表面上實現(xiàn)更復雜的微加工。圖1e-1f展示了最小的打印線寬約為133μm，最小可打印纖維直徑為500μm，對應于4000mˉ1的大曲率。與將彈性基質與導電填料相結合的傳統(tǒng)紡絲或涂層方法不同，噴墨印刷方法是一種無損的加工工藝，使可拉伸電子器件能夠同時受益于噴墨印刷技術的定制和所選纖維形基底的機械性能。如圖1j所示，拉伸應力-應變曲線表明印刷油墨對PU纖維本身的機械性能影響很小。

圖1 用于制造1D纖維形電子器件的噴墨打印技術

2. 噴墨印刷的螺旋形可拉伸導體的力學和導電性能

為了實現(xiàn)可拉伸的一維纖維狀電子產(chǎn)品和系統(tǒng)，具有高拉伸性和導電性的可拉伸導體基本上是必不可少的。由于大多數(shù)導電油墨是剛性的并且具有不變的導電性，因此這項工作采用直接噴墨打印具有螺旋結構的導電油墨的策略。先前的研究表明，螺旋結構可以將線性應變均勻地轉化為彎曲應變，從而實現(xiàn)脆性導電油墨展現(xiàn)出色的延展性。如圖2a所示，該結果得到了有限元分析的進一步支持，并且可以通過調整螺旋結構參數(shù)輕松調節(jié)電極的延展性。此外，該團隊還對纖維電極進行了彎曲和扭曲狀況下的導電性的測試，展現(xiàn)了出色的導電和機械穩(wěn)定性。

圖2 噴墨印刷的螺旋形Ag油墨導體的機械和導電行為