■微纳增材制造创新团队成员查看以玻璃为基底打印出的金属网栅。
□青岛日报/观海新闻记者 王世锋
日前，第十八届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛决赛举行，青岛理工大学“微纳观‘视’界——高性能透明电子智造技术革新者”项目斩获主体赛特等奖。
高性能透明电子实际上是一种既透明又导电的先进薄膜，透明金属网栅作为其中一种透光高、导电好的透明电子，在透明电加热玻璃、航空航天、生物医疗、曲面显示、可穿戴电子等诸多领域有非常广泛的应用。青岛理工大学机械与汽车工程学院微纳增材制造创新团队原创性提出了电场驱动微纳3D打印技术（以下简称“微纳3D打印”），开发了环形电极打印喷头及精准控制系统，解决了传统电流体动力喷射技术金属网栅透明电子打印稳定性差、一致性差及无法实现曲面打印等问题，成功大面积制造出可用于透明电磁屏蔽、透明电加热玻璃、透明天线、触控屏、柔性可穿戴设备等领域的高性能透明金属网栅。目前，团队已依托该成果实现了微纳尺度3D打印机的产业化生产。
数万次实验实现透明电子稳定打印
透明电子作为一种同时具有优异导电性、光学透光性的先进光电功能薄膜材料和战略性材料，已成为世界各国以及跨国企业竞相发展的前沿技术，未来市场前景广阔。
2019年，青岛理工团队师生在一场学术交流会上了解到，高性能金属网栅透明电子因其制造工艺复杂、成本高、环境不友好以及制造的透明电子性能差等问题，限制了广泛工业化应用。“与参会同行、企业等交流时，我们了解到部分企业对高性能金属网栅透明电子需求较大，如何开发一种可大面积制造高性能金属网栅透明电子的技术便引发了大家的思考。”团队指导教师、博士生导师朱晓阳介绍。
团队分析发现，金属网栅透明电子依据结构可分为平面金属网栅透明电子和异形曲面金属网栅透明电子，其中，单一平面金属网栅透明电子的制造技术主要包括光学光刻、纳米压印、模板法、激光蚀刻、电镀、丝网印刷、电流体动力喷射打印等，异形曲面金属网栅透明电子制造技术主要包括曲面光刻、激光直写、转印、喷墨打印、气溶胶喷射打印等。
不过，每种制造技术都有其局限性，如电流体动力喷射打印技术具有结构简单、可打印材料种类多、制造难度小、打印精度较高、与其它工艺兼容性高等优点，但由于电流体动力喷射打印技术受成形原理的限制，在打印稳定性等方面存在诸多挑战，限制了其广泛工业化应用。“传统的电流体动力喷射打印技术打印出的是类似于纱窗的金属网栅，在打印时会形成一个电场，容易受气流、环境温度等变化的影响，导致线条打印不均匀，‘纱窗’网栅大小不一，影响导电性、信号接收等。”朱晓阳进一步解释。
针对以上挑战，团队从打印技术、喷头设计以及控制系统工艺参数等角度出发，提出了基于环形电极电场驱动微纳3D打印的金属网栅透明电子制造新技术。“以往的电流体动力喷射打印技术是喷头、基底都导电，非常容易干扰电场。我们在设计上作了变革，喷头、基底均不导电，只有环形套导电。”机械工程专业硕士、团队负责人王瑞介绍。4年时间里，团队成员扎在实验室，依据不同的材料和结构需要，对喷头进行了上万次的试验、修改、完善，成功开发出适合不同材料要求的喷头。他们在5万多组实验数据的基础上，不停训练大数据模型，利用神经网络算法建立了一套智能化控制系统，实现金属网栅透明电子高分辨率、高稳定性打印。
成功打印出世界最大电磁屏蔽玻璃
“微纳3D打印可以在玻璃基底上直接打印，所需的银等金属材料利用率接近100%，有效避免了传统技术材料浪费的问题，降低了成本。”王瑞介绍。一根头发的直径大约为50至80微米，而微纳3D打印技术打印出的金属网栅线宽可小于10微米，当线宽小于10微米时，肉眼几乎看不到，因此可以实现玻璃的高透光性。
“微纳3D打印在玻璃等基底上打印就像‘绣花’，相当于给玻璃穿上了‘透明衣’，既可以屏蔽电磁，又可以加热。”朱晓阳表示。团队利用微纳3D打印制造出的透明电磁屏蔽玻璃尺寸为400mm×400mm，可有效屏蔽低频段电磁信号，是世界上所报道的最大透明电磁屏蔽玻璃；实现了线宽为6.5微米、深宽比20的嵌入式银网格柔性透明电子制造，能承受400℃高温以及20万次弯折。团队制造的透明电加热玻璃能实现1分钟快速升温至120℃，具有加热均匀、升温快的优点。透明电加热能在180秒时间内去除5毫米厚度的冰层，满足车窗除冰除雾等日常生活的应用需求。团队制备的异形曲面透明电子具有精度高等优点，能实现50秒内完全去除冰霜层，目前已在摄像头除雾领域完成应用测试。
此外，团队制备的透明电子在透明天线、触控屏以及柔性可穿戴设备等领域均实现了可用性。与电脑自带WIFI天线网络相比，团队制备的透明天线最大接入速度提升两倍。同时，打印的可穿戴设备已在人体运动检测、面部表情识别等领域实现可用性。
“我们已开发出包括实验室裸露机、初代工业机在内4代微纳3D打印机，可以生产微纳3D打印的工业机和桌面机，其中以生产面向高校、企业、科研院所的科研用桌面机为主，正在加速推进工业机及其配套设备的整套生产线开发进程。”团队指导教师兰红波教授介绍。目前，桌面机已售出30余台套。他表示，在技术开发与成果转化的过程中，众多博士、硕士甚至是本科生参与其中，也实现了高层次人才的培养，真正实现了产学研用相结合。未来，团队还将致力于更大面积、更高性能以及更多功能透明电子制造，更好满足社会需求。