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Aug 04, 2023

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Scientific Reports volume 13, Artigo número: 3914 (2023) Citar este artigo 931 Acessos 2 Detalhes da Altmetric Metrics Combinando fluidez líquida e condutividade metálica, ligas de gálio-índio (Ga-In)

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 3914 (2023) Citar este artigo

931 acessos

2 Altmétrico

Detalhes das métricas

Combinando fluidez líquida e condutividade metálica, as ligas de gálio-índio (Ga-In) estão causando sucesso em áreas como circuitos eletrônicos extensíveis e dispositivos médicos vestíveis. Devido à alta flexibilidade, a impressão direta com tinta já é amplamente utilizada para impressão de ligas Ga-In. Atualmente, a extrusão pneumática é o principal método de impressão direta por escrita com tinta, mas a camada de óxido e a baixa viscosidade das ligas Ga-In tornam difícil o controle após a extrusão. Este trabalho propôs um método para impressão direta por escrita com tinta de ligas Ga – In utilizando extrusão acionada por microvibração. A microvibração reduz a tensão superficial das gotículas da liga Ga-In e evita o aparecimento de gotículas aleatórias durante a impressão. Sob microvibração, a ponta do bico perfura a pele do óxido para formar pequenas gotas que possuem alta moldabilidade. O processo de crescimento das gotas é significativamente retardado pela otimização dos parâmetros de microvibração adequados. Portanto, as gotículas da liga Ga-In com alta moldabilidade podem ser mantidas no bico por um longo período, o que melhora a capacidade de impressão. Além disso, melhores resultados de impressão foram obtidos com microvibrações, escolhendo a altura do bico e a velocidade de impressão adequadas. Os resultados do experimento demonstraram a superioridade do método em termos de controle de extrusão de ligas Ga-In. Com este método, a capacidade de impressão dos metais líquidos é melhorada.

Ligas à base de gálio, que são metais líquidos com baixos pontos de fusão, são comumente usadas em eletrônica flexível1,2, síntese de materiais3,4, eletrônica extensível5,6, sensores7,8 e outras áreas devido às suas propriedades físicas únicas. As capacidades de moldagem das ligas Ga-In são aprimoradas com a combinação da tecnologia de impressão 3D. No entanto, as ligas Ga-In são oxidadas rapidamente no ar para formar uma película de óxido natural que é um material viscoelástico9. A película de óxido domina as propriedades reológicas e reduz a tensão superficial10, que é a chave para obter a impressão de ligas Ga-In11. No processo de impressão 3D de ligas Ga-In por extrusão pneumática, a película de óxido causa grandes gotículas de liga Ga-In no bico, diminuindo a moldabilidade . Então, o processo de extrusão é difícil de controlar. A dificuldade de controlar a extrusão faz com que as ligas Ga-In gerem gotas de tamanhos aleatórios durante o processo de impressão. Essas gotículas de tamanho aleatório afetarão os requisitos de resolução13,14 e condutividade15 da estrutura impressa. Conseqüentemente, muitos pesquisadores propuseram métodos para evitar a criação de gotículas de tamanhos aleatórios. Três métodos são adotados para auxiliar a extrusão pneumática de metais líquidos.

A impressão é realizada rompendo a película de óxido por meio de uma força externa. Cook et al.16 propuseram que as gotículas fossem extrusadas, mas não caídas, controlando precisamente a pressão de extrusão, e a força de cisalhamento entre as gotículas e o substrato era usada para aderir os metais líquidos ao substrato. Ladd et al.17 romperam a película de óxido por força de tração para formar fios de metal líquido independentes. No entanto, o método de destruição da película de óxido por força externa geralmente apresenta requisitos mais elevados para o processo de impressão, como o controle preciso da altura do bico. As características reológicas dos metais líquidos foram alteradas pela combinação de materiais metálicos ou não metálicos, permitindo que o metal líquido mantivesse sua forma mesmo após a extrusão. Wu et al.14 propuseram uma tinta microgel líquida misturando microgel de alginato de sódio, o que reduziu a enorme tensão superficial e melhorou o desempenho de adesão. Chan et al.13 sugeriram uma pasta de metal líquido reciclável e reversível combinando partículas de SiO2, o que melhorou as propriedades de adesão dos metais líquidos. De acordo com Daalkhaijav et al.18, adicionar materiais condutores de nano ou microníquel a metais líquidos melhoraria seu módulo de elasticidade e tensão de escoamento, além de permitir a impressão 3D. O problema do controle preciso do metal líquido extrudado pode ser efetivamente resolvido pela adição de outros materiais, mas a aplicação também é limitada pelos materiais adicionados. A impressão por coextrusão coaxial foi alcançada através do redesenho da estrutura mecânica do bico. Para obter um fluxo de metal líquido contínuo e estável, Khondoke et al.19 desenvolveram um bico de coextrusão coaxial que poderia envolver o metal líquido em um elastômero termoplástico e extrudá-lo. Wu et al.20 sugeriram um bico coaxial com extensão interna do bico para envolver e extrusar metal líquido de forma constante e eficaz, o que poderia adquirir impressão de metal líquido em multi-resolução. Mas a estrutura 3D não pode ser impressa empilhando gotículas de metal líquido com este método. O método acima resolve parcialmente o problema da película de óxido no processo de impressão de metal líquido, mas o processo de impressão, os materiais ou as estruturas formadas por metal líquido são limitados até certo ponto. A fim de reduzir a influência da película de óxido nos resultados de impressão sem limitar o material ou processo, propusemos um método de impressão 3D com condução de microvibração para extrusão de metal líquido. Usando este método, a película de óxido da gota é rompida quando a gota não se expande até um tamanho suficiente. Este método evitará efetivamente a ocorrência de gotículas aleatórias na estrutura de impressão.