青島理工大學師生團隊成功製造出高性能大面積透明金屬網柵並產業化
本網訊 日前，第十八屆「挑戰杯」全國大學生課外學術科技作品競賽決賽舉行，青島理工大學「微納觀『視』界——高性能透明電子智造技術革新者」項目斬獲主體賽特等獎。
高性能透明電子實際上是一種既透明又導電的先進薄膜，透明金屬網柵作為其中一種透光高、導電好的透明電子在透明電加熱玻璃、航空航天、生物醫療、曲面顯示、可穿戴電子等諸多領域有非常廣泛的應用。青島理工大學機械與汽車工程學院微納增材製造創新團隊原創性提出了電場驅動微納3D列印技術（以下簡稱「微納3D列印」），開發了環形電極列印噴頭及精準控制系統，解決了傳統電流體動力噴射技術金屬網柵透明電子列印穩定性差、一致性差及無法實現曲面列印等問題，成功大面積製造出可用於透明電磁屏蔽、透明電加熱玻璃、透明天線、觸控屏、柔性可穿戴設備等領域的高性能透明金屬網柵。目前，團隊已依託該成果成立了公司，實現了微納尺度3D印表機的產業化生產。
數萬次實驗實現透明電子穩定列印
透明電子作為一種同時具有優異導電性、光學透光性的先進光電功能薄膜材料和戰略性材料，已成為世界各國以及跨國企業競相發展的前沿技術，未來市場前景廣闊。據預測，未來10年，透明電子全球市場規模將超過千億美元。
2019年，青島理工團隊師生在一場學術交流會上了解到，高性能金屬網柵透明電子因其製造工藝複雜、成本高、環境不友好以及製造的透明電子性能差等問題，限制了廣泛工業化應用。「與參會同行、企業等交流時，我們了解到部分企業對高性能金屬網柵透明電子需求較大。如何開發一種可大面積製造高性能金屬網柵透明電子的技術便引發了大家的思考。」團隊指導教師，博士生導師朱曉陽介紹。
團隊分析發現，金屬網柵透明電子依據結構可分為平面金屬網柵透明電子和異形曲面金屬網柵透明電子，其中，單一平面金屬網柵透明電子的製造技術主要包括光學光刻、納米壓印、模板法、雷射蝕刻、電鍍、絲網印刷、電流體動力噴射列印等，異形曲面金屬網柵透明電子製造技術主要包括曲面光刻、雷射直寫、轉印、噴墨列印、氣溶膠噴射列印等。
不過，每種製造技術都有其局限性，如電流體動力噴射列印技術具有結構簡單、可列印材料種類多、製造難度小、列印精度較高、與其它工藝兼容性高等優點，可由於電流體動力噴射列印技術受成形原理的限制，在列印樣件良率、列印材料與基底種類以及列印穩定性方面存在諸多挑戰性難題，限制了其廣泛工藝化應用。「傳統的電流體動力噴射列印技術列印出的是類似於紗窗的金屬網柵，它在列印時會形成一個電場，電場非常容易受氣流、環境溫度等變化的影響，導致線條列印不均勻，『紗窗』網柵大小不一，影響導電性、信號接收等。」朱曉陽進一步解釋說。
針對以上挑戰，團隊從列印技術、噴頭設計以及控制系統工藝參數等角度出發，提出了基於環形電極電場驅動微納3D列印的金屬網柵透明電子製造新技術。「我們做了技術革新，變革了電場的產生方式。以往的電流體動力噴射列印技術是噴頭、基底都導電，非常容易干擾電場。我們在設計上做了變革，噴頭、基底均不導電，只有環形套導電。」機械工程專業碩士、團隊負責人王瑞介紹。4年時間裡，團隊成員扎在實驗室，依據不同的材料和結構需要，對噴頭進行了上萬次的試驗、修改、完善，成功開發出適合不同材料要求的噴頭。他們在5萬多組實驗數據的基礎上，不停訓練大數據模型，利用神經網絡算法建立了一套智能化控制系統，實現金屬網柵透明電子高解析度、高穩定性列印。
成功列印出世界最大電磁屏蔽玻璃
「微納3D列印可以在玻璃基底上直接列印，列印所需的銀等金屬材料利用率接近100%，有效避免了傳統技術材料浪費的問題，降低了成本。」王瑞介紹。一根頭髮的直徑大約為50至80微米，而微納微納3D列印技術列印出的金屬網柵線寬可小於10微米，而當線寬小於10微米時，肉眼就幾乎看不到了，因此可以實現玻璃的高透光性。
「微納3D列印在玻璃等基底上像『繡花』一樣列印出金屬網柵透明電子，相當於給玻璃穿上了『透明衣』，既可以屏蔽電磁，又可以加熱。」朱曉陽表示。團隊利用微納3D列印製造出的透明電磁屏蔽玻璃尺寸為400mm×400mm，可有效屏蔽低頻段電磁信號，是世界上所報道的最大透明電磁屏蔽玻璃；實現了線寬為6.5微米、深寬比20的嵌入式銀網格柔性透明電子製造，能承受400度高溫以及20萬次彎折。團隊製造的透明電加熱玻璃能實現1分鐘快速升溫至120°C，具有加熱均勻、升溫快的優點。透明電加熱能在180秒時間內去除5毫米厚度的冰層，滿足車窗除冰除霧等日常生活的應用需求。團隊製備的異形曲面透明電子具有精度高、共形好的優點，能實現50秒內完全去除冰霜層，目前已在攝像頭除霧領域完成應用測試。
此外，團隊製備的透明電子在透明天線、觸控屏以及柔性可穿戴設備等領域均實現可用性。與電腦自帶wifi天線網絡相比，團隊製備的透明天線最大接入速度提升兩倍。同時，列印的可穿戴設備已在人體運動檢測、面部表情識別等領域實現可用性。
記者了解到，團隊已依託該成果成立公司，實現了微納尺度3D印表機的產業化生產。「我們已開發出包括實驗室裸露機、初代工業機在內4代微納3D印表機，可以生產微納3D列印的工業機和桌面機，其中以生產面向高校、企業、科研院所的科研用桌面機為主，正在加速推進工業機及其配套設備的整套生產線開發進程。」團隊指導教師蘭紅波教授介紹。目前，桌面機已售出30餘台套。他表示在技術開發與成果轉化的過程中，眾多博士、碩士甚至是本科生參與到了其中，也實現了高層次人才的培養，真正實現了產學研用相結合。未來，團隊還將致力於更大面積、更高性能以及更多功能透明電子製造，更好滿足社會需求。
來源：觀海新聞 編輯：高齊 責任編輯：張致之