柔性电子在人体健康检测、可穿戴设备等生物医学工程领域应用优势明显，在柔性基材上简单、高效、稳定构建导电结构是柔性电子应用发展的技术关键。电纺直写技术是一种连续射流喷印技术，聚合物在强电场作用下拉伸形成射流，利用射流稳定直线段进行微纳纤维的精确沉积，具备工艺简单、材料兼容性好、适用于多种柔性材等显著的优点，已经成为柔性增材制造技术的新兴力量。
然而，用于制备导电结构的直写溶液常为金属纳米颗粒溶液，存在颗粒团聚现象，溶液稳定性差，严重影响直写溶液的使用寿命和保存周期。并且金属纳米颗粒烧结形成导电结构需要高温后处理，高温会破坏柔性基底性能，影响导电结构与柔性基材的附着力，限制电纺直写技术在柔性电子领域进一步发展。
针对这一问题，近期，厦门大学的康国毅等在《光学 精密工程》（EI、Scopus，中文核心期刊，《仪器仪表领域高质量科技期刊分级目录》和《光学和光学工程领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”期刊）上发表了题为“柔性湿度传感器低温直写制备”的封面文章。
《光学 精密工程》2023年第31卷第22期
无颗粒银氨络合溶液的制备与前驱体纤维的电纺直写成型
针对金属纳米颗粒直写溶液存在的稳定性差和后处理温度较高的问题，本文基于银氨络合机理，制备出无颗粒直写溶液。溶液以醋酸银、异丙醇胺和聚环氧乙烷(PEO)作为原料，在室温条件下完成制备。前驱体纤维由电纺直写技术制备而成，直写溶液在强电场力作用下拉伸形成射流，而后在基材上沉积形成纤维。图1为电纺直写技术制备纤维的示意图。
图1：电纺直写技术制备纤维的示意图
与一般的金属颗粒作为导电填料的金属基溶液相比，银氨络合溶液的突出优势是保存时间长，烧结温度低。前驱体纤维烧结后形成表面有致密银结构的导电纤维。50 ℃烧结 60 min 形成的导电纤维的扫描电镜图如图2所示，纤维中银纳米颗粒大小均一且整齐排列，形成了致密的金属结构，电阻最小达到 365 Ω/mm。银氨络合溶液的低温烧结特性，一方面避免在高温下分子的热运动增强，降低纤维黏度，防止导电结构与基材附着性能下降，确保了导电结构的高结合力，另一方面保证纤维结构的完整性和柔性基材的耐用性，展现良好的导电性能。
图2：导电纤维扫描电镜图
银氨络合溶液制备的前驱体纤维具有良好的自堆叠特性，为制备三维导电结构提供了有利条。图 3（a）和图 3（b）呈现了堆叠 40 层前驱体维的扫描电子显微镜图像，如图3（b）所示，前驱体纤维排布紧密有序，展现出优良的堆叠效果。基于纤维的自堆叠效应，通过调整纤维的堆叠层数，可以控制导电纤维的电阻在6.7~34.1 Ω/mm范围内改变，实现对3D金属微纳结构电学性能的调控（如图4所示）。
图3：前驱体纤维堆叠40层的扫描电镜图
图4：导电纤维电阻和堆叠层数之间的关系
利用银氨络合溶液在以聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 为基底的叉指电极上直写可以制得柔性湿度传感器。柔性湿度传感器在具有广泛的湿度响应范围同时，具有高线性度、低迟滞以及良好的循环稳定性。为了直观展现传感器在不同湿度下的工作情况，柔性湿度传感器分别连接相同规格型号的发光二极管，电路图和实物图分别如图 5（a）和图5（b）所示，可以看到相对湿度越高，发光二极管亮度越大。
图5：传感器电路图
本研究基于银氨络合机理制备了银氨络合溶液，利用该溶液直写制得的前驱体纤维可低温烧结成型导电纤维，同时具有良好的自堆叠效应，基于该溶液制得的柔性湿度传感器性能优良。这种无颗粒直写溶液在制备柔性电子产品方面有着可观的前景，并且在运动检测和健康管理等领域有广泛的应用，同时为增材制造制备柔性电子器件提供了新的解决方案。
项目负责人
郑高峰，工学博士，厦门大学副教授、系副主任、博士研究生导师，厦门市“双百计划”领军型创业人才、福建省高层次人才。主要从事微纳喷印、先进控制、微系统集成应用等领域的研究工作。承担有国家自然科学基金面上项目、深圳市重大研究专项、福建省产学研合作重点项目、引导类重点项目等研究课题以及20余项企业委托技术开发课题。在Science of The Total Environment、Separation and Purification Technology、Materials & Design、ACS Applied Materials & Interfaces、IEEE Sensors Journal、光学精密工程等期刊发表 SCI、EI收录学术论文150余篇，出版专著1本，专章4篇，作为第一发明人授权发明专利38项，其中15项专利实现了产业转化应用。第一完成人获中国发明协会发明创新奖一等奖、福建省科学技术进步奖二等奖、厦门市科学技术进步奖二等奖各1项。
项目团队
厦门大学纳米技术研究团队（智能微纳实验室），紧密围绕微纳米技术领域中的前沿科学问题，致力于电纺直写技术、电液喷印技术、静电雾化技术、静电纺丝技术的研究与应用。团队成员包括6位博士，26名硕士，18名本科生，涵盖仪器、电气、机械、自动化、通讯、能源、电子信息等多个学科，在微纳制造、柔性电子、空气过滤、电池隔膜等领域发表高水平论文100余篇，其中多篇论文获选封面论文。
康国毅,钟易晟,姜佳昕等.柔性湿度传感器低温直写制备[J].光学精密工程,2023,31(22):3279-3288. DOI：10.37188/OPE.20233122.3279.