柔性电子及感知技术因具有优异的柔韧性及适形化性能，在消费电子、汽车电子、医疗健康、具身智能、智慧农业及食品安全等领域展现出巨大的应用价值。图案化柔性电路作为柔性电子器件的基本组成单元，在各种柔性基底上实现低成本大规模制造，同时兼具高导电性和优异的柔韧性，仍面临诸多挑战。基于金属纳米颗粒墨水的印刷电路因金属本征高导电及可大规模印刷制造，已成为柔性电子制造工艺中极具发展潜力的技术之一。然而，基于微纳米颗粒的功能墨水经过印刷打印工艺（如喷墨、直写、喷涂、丝网及辊对辊等）后，所形成的图案中，由于表面活性剂（用于提升溶液中颗粒分散性能）和氧化层（针对金属颗粒）的存在，导致颗粒之间接触不良，从而使得电路不导电。尽管传统的后处理工艺（如高温烧结和光子烧结等）能够有效破坏不良接触层，从而提升图案的导电性，但由于不规则颗粒之间接触所产生的空隙难以消除，导致电路致密化程度较低，因此其导电性能难以得到显著改善。此外，高温处理等工艺对柔性基底的适应性也提出了巨大的挑战。
针对上述难题，中国农业大学工学院何志祝教授课题组提出一种新颖的超声诱导柔性印刷电路致密化策略，即压力约束超声激活（PCSA）工艺。该方法能够在室温空气环境下，以亚秒级的速度在多种柔性基材上激活图案化功能电路，适用于数十种金属（熔点范围从室温至3422°C）及非金属墨水（如碳纳米管、石墨烯、PEDOT:PSS、PZT以及热电材料）。此外，该方法可与卷对卷工艺相结合，实现低成本、高速的大规模处理。相关研究成果以“Pressure-constrained sonication activation of flexible printed metal circuit”为题发表于《Nature Communications》，博士生曹凌霄和王中豪为论文共同第一作者。PCSA诱导的图案化电路致密化主要依赖于低压约束条件下颗粒间的协同热软化与振动粘接效应。该过程可分为从粒子松散到致密结合的三个阶段。在第一阶段，聚合物（如PVA）将微纳米粒子相互黏附，并通过将吸收的超声振动能量耗散在粒子界面上，引发非弹性碰撞，使得粒子重新组装成致密堆积体。这一阶段适用于所有印刷图案，无论是金属还是非金属颗粒。与其他后处理方法相比，这种因颗粒重组而实现的独特振动致密化能够显著增大颗粒间的接触面积，从而改善印刷图案的导电性。在第二阶段（主要针对金属颗粒），高频超声振动进一步破坏了颗粒表面的聚合物和氧化层，增强了金属颗粒之间的直接接触。第三阶段中，金属颗粒之间由于高强度摩擦产生热量，进而引发其热软化并促进塑性流动，实现有效粘接和融合，显著提升颗粒间致密化程度。上述三个阶段主要发生在低压力约束下颗粒间界面，且持续时间极短（亚秒级），从而避免了对柔性基底的损伤。基于PCSA处理工艺，本文能够获得与本征电导率同量级的铜基（本征值的52.2%）和银基（本征值的64.9%）柔性印刷电路。即便是对于Ti、Pt、Mo及W等高熔点金属墨水，相较于传统的后处理工艺，其柔性电路导电性能也得到了显著改善。PCSA甚至可以在曲面上激活印刷的图案电路，并能将电子元器件在无焊料下实现与电路直接焊接，显著提升其电接触性。同时，PCSA能够与辊对辊工艺相结合，实现快速且规模化的处理，并已证实其适用于多种柔性基底，包括PET、PI、PVDF、纸张及纺织物等。图1 PCSA工作原理及适用多种金属墨水，并能与辊对辊工艺相结合以实现规模化处理PCSA还可用于非金属墨水的印刷图案致密化，能够提升碳纳米管、石墨烯及PEDOT:PSS等印刷电路的电导率。例如，经PCSA处理后的PEDOT:PSS电极，其电阻降低了83%，且增强了与柔性基底的结合力。PCSA增强效果还体现在对介电材料PZT印刷薄膜的致密化上，与冷压后处理方法相比，输出电压提高了521%。本文进一步证明，PCSA可以集成地制备柔性薄膜基热电器件，包括碲化铋基和硒化银等多种热电材料墨水。论文对PCSA工艺的影响因素进行了系统分析，梳理了超声能量、作用时间及约束压力等关键工作参数对颗粒致密化过程的影响规律，并考察了微纳米颗粒种类及柔性基底等相关参数的作用。同时，搭建了用于PCSA过程高速微观成像的观察平台，并验证了PCSA诱导柔性印刷电路致密化机制。进一步研究证实，PCSA技术在异质电路焊接及多层电路激活方面具有可行性。图3 PCSA关键工作参数对颗粒致密化过程的影响规律基于PCSA工艺，本文提出了一种3D柔性折叠电子器件的制备策略，该策略包括多层电路的互联以及将电子元件连接到印刷电路板上，且无需使用焊料。通过在柔性基底上采用带有互联路径的双面印刷图案，并用金属颗粒墨水填充通孔，PCSA方法不仅可以整体激活双面印刷图案，还能将电子元件牢固地焊接到柔性基底上电路，从而使得柔性电子器件的集成制造更加便捷。基于PCSA工艺，本文提出了一种可擦除、可折叠的双面电致发光（P-EL）显示器。该显示器总厚度为0.2毫米，由两层发光层、两层电介质层以及一张印刷有双面叉指电极的纸基底组成。双面大面积电极能够通过PCSA方法激活，并展现出优异的柔韧性，适用于制造柔性P-EL薄膜。当本文使用水彩笔在P-EL显示器上绘制图案时，所形成的由极性墨水构成的轨迹可以调节从叉指电极施加的高频电压之间产生的电场，通过发光层增强该电场并激发其发光。这一策略有效消除了对电极透明度的限制，同时提供了更佳的人机交互体验。PCSA与丝网印刷技术的结合，使得在织物表面定制大面积电路成为可能，并能够集成电子元器件，从而实现对人体健康信息的实时监测。基于PCSA的双面织物电路，其最小线宽可达0.2毫米，且具备优异的导电性。本文在衬衫外部集成了多种功能模块，包括电致发光显示、焦耳加热、无线充电，以及面罩上的温度和湿度传感器。此外，衬衫内部还设有十二对三电极，用于监测表面肌电图信号。本文提出了一种新颖的超声诱导柔性印刷电路致密化策略，能够在室温空气环境下，以亚秒级的速度在多种柔性基材上激活图案化功能电路，适用于数十种金属及非金属墨水。此外，该方法可与卷对卷工艺相结合，实现低成本、高速的大规模处理。PCSA甚至可以在曲面上激活印刷图案，连接多层电路，且无需使用焊料地将电子元件固定在印刷电路上。论文还展示了基于PCSA技术的3D柔性折叠电子器件应用，包括可擦除和折叠的双面电致发光显示器，以及可定制设计和大面积制造的电子织物，这表明PCSA在柔性电子领域具有广泛的应用潜力。--检测服务--
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