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Aug 04, 2023

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Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 3914 (2023) Citer cet article 931 Accès à 2 détails de Altmetric Metrics Combinant fluidité liquide et conductivité métallique, alliages gallium-indium (Ga-In)

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 3914 (2023) Citer cet article

931 Accès

2 Altmétrique

Détails des métriques

Combinant fluidité des liquides et conductivité métallique, les alliages gallium-indium (Ga-In) font sensation dans des domaines tels que les circuits électroniques extensibles et les dispositifs médicaux portables. En raison de sa grande flexibilité, l’impression par écriture directe à l’encre est déjà largement utilisée pour l’impression des alliages Ga-In. Actuellement, l’extrusion pneumatique est la principale méthode d’impression par écriture directe à l’encre, mais la peau d’oxyde et la faible viscosité des alliages Ga-In rendent difficile le contrôle après l’extrusion. Ce travail propose une méthode d'impression par écriture directe à l'encre d'alliages Ga – In utilisant une extrusion pilotée par micro-vibration. Les micro-vibrations réduisent la tension superficielle des gouttelettes d'alliage Ga-In et évitent l'apparition de gouttelettes aléatoires lors de l'impression. Sous micro-vibration, la pointe de la buse perce la peau d’oxyde pour former de petites gouttelettes ayant une grande aptitude au moulage. Le processus de croissance des gouttelettes est considérablement ralenti en optimisant les paramètres de micro-vibration appropriés. Par conséquent, les gouttelettes d’alliage Ga-In à haute aptitude au moulage peuvent être maintenues au niveau de la buse pendant une longue période, ce qui améliore l’imprimabilité. De meilleurs résultats d’impression ont été obtenus grâce aux micro-vibrations en choisissant la hauteur de buse et la vitesse d’impression appropriées. Les résultats expérimentaux ont démontré la supériorité de la méthode en termes de contrôle de l’extrusion des alliages Ga-In. Avec cette méthode, l’imprimabilité des métaux liquides est améliorée.

Les alliages à base de gallium, qui sont des métaux liquides à bas points de fusion, sont couramment utilisés dans l'électronique flexible1,2, la synthèse de matériaux3,4, l'électronique extensible5,6, les capteurs7,8 et d'autres domaines en raison de leurs propriétés physiques uniques. Les capacités de moulage des alliages Ga-In sont améliorées en combinant la technologie d'impression 3D. Cependant, les alliages Ga-In s’oxydent rapidement dans l’air pour former une peau d’oxyde naturelle qui est un matériau viscoélastique9. La peau d'oxyde domine les propriétés rhéologiques et réduit la tension superficielle10, ce qui est la clé pour réaliser l'impression des alliages Ga-In11. Dans le processus d’impression 3D d’alliages Ga-In par extrusion pneumatique, la peau d’oxyde provoque de grosses gouttelettes d’alliage Ga-In au niveau de la buse, ce qui diminue la moulabilité12. Ensuite, le processus d’extrusion est difficile à contrôler. La difficulté de contrôler l’extrusion fait que les alliages Ga-In génèrent des gouttelettes de taille aléatoire pendant le processus d’impression. Ces gouttelettes de taille aléatoire affecteront les exigences de résolution13,14 et de conductivité15 de la structure imprimée. C’est pourquoi de nombreux chercheurs ont proposé des méthodes pour éviter la création de gouttelettes de taille aléatoire. Trois méthodes sont adoptées pour assister l’extrusion pneumatique des métaux liquides.

L'impression est réalisée en brisant la peau d'oxyde grâce à une force extérieure. Cook et al.16 ont proposé que les gouttelettes soient extrudées mais non larguées en contrôlant précisément la pression d'extrusion, et que la force de cisaillement entre les gouttelettes et le substrat soit utilisée pour faire adhérer les métaux liquides au substrat. Ladd et al.17 ont rompu la peau d'oxyde par force de traction pour former des fils de métal liquide autonomes. Cependant, la méthode de destruction de la peau d'oxyde par une force externe impose généralement des exigences plus élevées au processus d'impression, telles qu'un contrôle précis de la hauteur des buses. Les caractéristiques rhéologiques des métaux liquides ont été modifiées en combinant des matériaux métalliques ou non métalliques, permettant au métal liquide de conserver sa forme même après extrusion. Wu et al.14 ont proposé une encre microgel liquide en mélangeant un microgel d'alginate de sodium, ce qui réduisait l'énorme tension superficielle et améliorait les performances d'adhésion. Chan et al.13 ont suggéré une pâte de métal liquide recyclable et réversible en combinant des particules de SiO2, ce qui a amélioré les propriétés d'adhésion des métaux liquides. Selon Daalkhaijav et al.18, l’ajout de matériaux conducteurs nano- ou micro-nickel aux métaux liquides améliorerait leur module élastique et leur limite d’élasticité et permettrait l’impression 3D. Le problème du contrôle précis du métal liquide extrudé peut être résolu efficacement en ajoutant d’autres matériaux, mais l’application est également limitée par les matériaux ajoutés. L'impression par coextrusion coaxiale a été obtenue en repensant la structure mécanique de la buse. Pour obtenir un flux de métal liquide continu et stable, Khondoke et al.19 ont développé une buse de coextrusion coaxiale capable d'envelopper le métal liquide dans un élastomère thermoplastique et de l'extruder ensemble. Wu et al.20 ont suggéré une buse coaxiale avec une extension de buse interne pour envelopper et extruder le métal liquide de manière stable et efficace, ce qui pourrait permettre d'acquérir une impression sur métal liquide multi-résolution. Mais la structure 3D ne peut pas être imprimée en empilant des gouttelettes de métal liquide avec cette méthode. Le procédé ci-dessus résout partiellement le problème de la peau d'oxyde dans le processus d'impression sur métal liquide, mais le processus d'impression, les matériaux ou les structures formées par métal liquide sont limités dans une certaine mesure. Afin de réduire l'influence de la peau d'oxyde sur les résultats d'impression sans limiter le matériau ou le processus, nous avons proposé une méthode d'impression 3D par micro-vibration pour l'extrusion de métal liquide. Grâce à cette méthode, la peau d’oxyde de la gouttelette est brisée lorsque la gouttelette ne se dilate pas jusqu’à atteindre une taille suffisante. Cette méthode évitera efficacement l’apparition de gouttelettes aléatoires dans la structure d’impression.