研究背景：

随着可穿戴电子、柔性传感与医疗设备的发展，印刷柔性电子因具有低能耗、轻薄化和良好柔性等优势而备受关注。但现有技术多局限于平面和单材料结构，难以满足复杂柔性器件的集成制造需求，因此亟需发展兼具高分辨率沉积与低能耗烧结能力的制造工艺。在导电结构制备中，传统接触式印刷易受模板接触和油墨扩散影响，而喷射点胶技术能够实现高黏度导电浆料的非接触式精准沉积，但其打印质量高度依赖工艺参数优化。在后处理方面，激光等光子烧结虽可实现快速烧结，但易导致局部烧结不均和基底损伤；相比之下，近红外（NIR）烧结凭借更强的层内穿透能力，可实现更均匀的体积加热并改善导电性能，但其效果同样受工艺参数影响。目前，针对喷射点胶及其NIR烧结工艺的系统优化研究仍较缺乏，因此开展相关研究对推动柔性电子器件的高性能与规模化制造具有重要意义。

文章概述：

哈尔滨工业大学（深圳）魏军课题组将近红外烧结与喷射点胶技术融合用于柔性电路的高质量制造，研究并优化了喷射点胶打印工艺与NIR烧结工艺，开发了渐渐式梯度能量烧结策略，实现了电学与机械性能优良的电路制造。相关成果发表在Advanced Materials Technologies上。

图文导读：

本研究首先对打印电路所用的银浆的流变性能进行了分析，验证了其具有明显的剪切变稀特性：随着剪切速率增加，黏度显著下降，并在高剪切速率下逐渐趋于稳定，说明需通过参数调控能降低黏度、实现稳定喷射。

图1. (a) 该研究所使用的银浆的黏度与剪切速率关系图；(b) 剪切应力与剪切速率关系

在此基础上，采用阀式喷射点胶系统对高黏度银浆的打印工艺进行了系统优化，初步确定了实现稳定打印的部分参数范围，其中循环时间对稳定打印影响最为显著。在喷射打印过程中，一个关键挑战是过剩的浆料容易在喷嘴外部积累，从而阻碍连续打印的稳定性。这主要源于银浆高黏度以及陶瓷喷嘴对银浆的强润湿性。研究发现，通过调控打印参数，特别是缩短循环时间时间，可有效减少残余油墨向喷嘴端迁移的时间，从而抑制积墨与漏墨现象，显著提升喷射稳定性和液滴成形精度。

本研究也评估了双层与三层导电结构打印与NIR烧结的质量，结果表明，随着厚度增加，NIR烧结过程中易出现层内加热不均、表面过度致密化以及层间融合不足等问题，从而降低结构均匀性与电性能稳定性。因此，本研究进一步聚焦于单层厚度控制，通过优化打印速度和Cycle时间，实现低能耗条件下更均匀稳定的烧结效果。

本研究系统研究了NIR烧结参数（灯功率、扫描速度）和烧结次数对印刷银导线形貌、结构完整性及导电性能的影响。结果表明，在固定灯-基底间距下，过高功率会导致表面快速致密化和局部过热，而内部烧结不足，产生结构缺陷并降低导电性；过低扫描速度会导致聚合物剧烈挥发、表面气泡缺陷及基底收缩。而中等扫描速度能够实现均匀烧结，获得表面平整、结构完整且导电性能良好的导线（如图3）；而过高速度会因能量不足导致烧结不完全、结构强度和导电性能下降。研究最终确定了稳定单次NIR烧结的合理工艺窗口。

图2.印刷银电路的光学照片：(a) 未固化；和在70% 150W功率下以如下扫描/移动速度单次固化后：(b) 700 mm/min；(c) 1000 mm/min；(d) 1200 mm/min

基于此，在1000 mm/min扫描速度下系统评估了NIR灯功率对烧结质量的影响。结果表明，较低或较高功率下均无法单次固化实现均匀且充分的电路固化：能量过低时，无法充分固化；能量过高，固化不均匀 - 表明过度烧结，内部未足够固化，且产生气泡。这主要源于NIR辐照引起的快速非均匀加热，以及油墨中溶剂、聚合物和金属颗粒不同相变行为导致的溶剂挥发与颗粒融合不一致，从而限制了单次烧结效果。因此，有必要探究多次固化工艺。

图3.印刷银电路经过单次NIR固化（速度1000 mm/min）后的表面形态，固化使用功率为(a-b) 60%, (c) 65%, (d) 70%, (e) 75%, (f) 80%, (g) 85%, and (h) 90% of 150W.

图4.在不同功率下单次NIR固化后银电路的电阻值（数值为平均值，n = 5）

研究者进一步系统研究了能量递增的多次梯度NIR固化策略。结果表明，低能量条件主要起预热作用，而较高能量虽能增强烧结效果，但易接近表面过热与烧结不均阈值（如图5）；过高或过低功率均效果不佳。最终，采用65–70%功率的五次梯度烧结策略获得了最稳定的0.6–0.8 Ω低电阻和均匀形貌，其中最优工艺表现出最低且最稳定的电阻。研究进一步提出了“三阶段梯度烧结机制”：即低能量阶段促进溶剂蒸发，中等能量阶段促进聚合物软化与溶剂释放，高能量阶段实现银片融合并形成连续导电网络。结果表明，相比单次高能量烧结，合理分配多次烧结能量更有利于获得均匀、稳定的高导电结构。

图5.印刷银电路经多次NIR固化后的电阻值（数值为平均值，n = 5）

本研究进一步分析了梯度NIR烧结过程中银片导线的结构演化机制。结果表明，初始印刷银片呈疏松堆积状态（图6a）；前两次低能量烧结主要促进溶剂挥发，但不足以驱动聚合物粘结剂流动（图6c），同时碳含量变化较小，说明有机粘结剂基本未发生明显分解。第三次烧结后，能量输入增加，粘结剂流动性增强并逐渐形成连续聚合物膜（图6d），碳含量明显升高（图7），表明树脂发生重新分布并在表面富集。随后高能量烧结阶段，部分聚合物发生热裂解，长链有机物分解并挥发，使碳含量略有下降，同时粘结剂黏度降低并重新分布为更薄、更均匀的层状结构，从而有效改善银片间接触和结构致密性。最终经过第六次烧结后，银片融合更加充分，结构与导电性能趋于稳定，不同区域均表现出一致的微观结构特征（图6g），验证了该梯度烧结工艺良好的均匀性与可重复性。

图6. 打印的#6-2银电路的代表性SEM照片：(a) 固化前；和经NIR固化(b) 1次，(c) 2次，(d) 3次，(e) 4次，(f) 5次，(g) 6次之后

图7. 每次NIR固化后电路表面的银与碳含量的变化

本研究对梯度NIR烧结后银片导线的电学性能与能量效率进行了系统评估。结果表明，所制备导线表面平整均匀，NIR烧结未引起明显几何形变，获得最低电阻率为12.48 μΩ·cm，接近块体银的数量级，体现出优异的导电性能。能量分析表明，六次烧结累计有效能量为102.14 J（图8），而总输入能量约1644 J。随着多次烧结累积能量增加，电阻率持续下降。该演化过程主要归因于溶剂挥发与粘结剂重排促进的银片接触增强，且与SEM及碳含量变化结果一致，最终实现了低能耗条件下高性能导电结构的构建。

图8. 电阻率与累积固化能量随NIR固化次数的变化（数值为平均值，n = 10）

为验证梯度NIR烧结策略对电路产生的效果，研究者将同样工艺下打印的电路进行梯度NIR烧结与传统烘箱固化，并进行了系统对比。结果表明，与烘箱固化电路相比，经NIR固化的电路在导电性相当、抗拉伸性能更佳、在能耗与时间效率上优势显著（能耗仅为烘箱的1/620，时间仅为16.4s vs 烘箱20min）。

图9. (a) 印刷银电路经过NIR固化与烘箱固化后的电阻率比较；(b) 固化后电路经20%拉伸后的相对电阻率增幅（数值为平均值 ± 标准差，n = 10）

结论：

本研究运用一种喷射点胶与局域近红外（NIR）梯度烧结一体化的柔性银导体制造平台，实现了高黏度银片油墨的稳定喷射与原位高效固化，是首次在单一系统中实现喷射沉积与低能耗局域NIR烧结的集成工艺。通过对打印与喷射参数的系统优化，实现了稳定连续的高精度打印。在后处理方面，建立了六次多阶段梯度NIR烧结策略，实现均匀致密的导电结构，其电阻率达到12.48 μΩ·cm，与烘箱固化结果相当，但在20%拉伸应变下表现出无裂纹且更优的电学稳定性，主要源于银片表面形成的连续聚合物缓冲层。在制造效率方面，该方法仅需16.4 s时间和1644 J能量即可完成烧结，相比传统烘箱工艺实现约73倍时间缩短与620倍能耗降低。结果表明，该一体化梯度NIR烧结方法在导电性能、机械可靠性与能源效率方面均显著优于传统热固化工艺，为高性能柔性电子的可持续规模化制造提供了通用技术路径。

论文信息：

In Situ Sintering Integrated With Jet Dispensing for Energy-Efficient Fabrication of Printed Stretchable Conductors

Zhao Fu, Kaiqi Wang, Suzhu Yu*, Jun Wei*

Advanced Materials Technologies

DOI:10.1002/admt.202600012

原文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202600012

期刊介绍：

Advanced Materials Technologies是跨学科研究的家园，涉及材料科学、创新技术与现实世界应用。无论是能源、医疗保健、电子、光学、微流体、传感器还是环境技术，我们欢迎所有应用材料主题，特别强调先进设备的设计、制造与集成。