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为解决当前 3D 打印导电材料难以平衡烧结性、导电性和机械强度的问题，研究人员开展了以双酚 E 氰酸酯（CE）为聚合物基质的直接墨水书写（DIW）3D 打印墨水研究。结果显示该墨水导电性达 8.6×104 S/m，还制备出性能优异的应力 - 应变传感器，为 3D 打印设备制造提供了新选择。
在科技飞速发展的当下，3D 打印技术凭借快速制造、高设计自由度和低材料浪费等优势，广泛应用于众多领域。其中，直接墨水书写（DIW）作为一种重要的 3D 打印技术，可打印多种材料，但开发适用于 DIW 的墨水成为研究关键。尤其是导电材料，作为各类电气相关设备的基础组件，其在 DIW 3D 打印中的发展至关重要。然而，目前的材料在烧结性、导电性和机械强度之间难以达到平衡。例如，以碳基材料为导电填料时，需高含量才能实现高导电性，但这会增加墨水粘度，降低可打印性和机械强度；使用高导电金属填料虽能减少填料用量构建导电通路，却往往需要高温烧结，这会损坏聚合物基质，限制材料应用。基于此，厦门大学的研究人员开展了相关研究，致力于开发一种新型导电墨水，以满足 3D 打印领域的需求。
该研究成果发表在《Cell Reports Physical Science》上，为 3D 打印导电材料的发展提供了新的方向。研究人员在此次研究中，运用了多种关键技术方法。首先，通过对不同成分墨水进行流变学测试，探究墨水组成与打印性能的关系。其次，利用扫描电子显微镜（SEM）观察打印丝和其横截面，以分析打印性能、合金粉末分布等情况。还进行了拉伸、压缩、弯曲等力学性能测试，以及电导率测试，从而全面研究材料的性能。
1. CPM 墨水的制备与性能
研究人员以双酚 E 氰酸酯（CE）为聚合物基质，聚四氟乙烯（PTFE）微粉为流变改性剂，Sn42Bi58合金微粉为导电填料和共流变改性剂，制备出导电复合墨水（CPM 墨水）。该墨水制备过程简单，PTFE 微粉和 Sn42Bi58合金粉的含量对墨水性能影响显著。当 CE 与 PTFE 微粉质量比为 2.5（1:0.4），合金粉体积分数为 40% - 50% 时，墨水具有高金属负载量和适合打印的凝胶状流变性能。流变学测试表明，添加 PTFE 微粉和合金粉可显著提高墨水粘度和动态模量，使其具备良好的自支撑能力和剪切变稀特性，且该墨水长期稳定性良好。
2. CPM 墨水的 3D 打印性能
使用 1:0.4 - 50 vol% 比例的 CPM 墨水进行 3D 打印实验，结果显示打印工件形状保持良好，打印丝直径与喷嘴内径匹配，横截面呈规则圆形，合金粉末均匀分布，增强了打印部件的机械强度。打印的各种复杂结构，如字母、复杂图案、章鱼模型等，展示了 CPM 墨水出色的 3D 打印性能，包括连续长距离打印和制造复杂图案的能力，以及在非平面表面打印的适应性和对多种材料的良好粘附性。
3. CPM 复合材料的机械和电气性能
对固化后的 CPM 复合材料进行机械性能测试，发现随着金属含量增加，拉伸应力和断裂应变降低，压缩应力增加；PTFE 微粉含量增加会使复合材料机械性能下降。不同打印路径的样品测试表明，打印方向会影响拉伸性能。电导率测试显示，当金属体积分数超过 30% 时，材料从绝缘体转变为导体，且电导率随 CE 与 PTFE 微粉质量比增加而增加。其中，1:0.4 - 50 vol% 的 CPM 复合材料电导率最高，达 8.6±0.6×104 S/m，接近纯石墨电导率，且打印方向对其电导率影响极小。
4. 导电通路的形成机制
实时监测 CPM 复合材料固化过程中的温度和电阻发现，固化过程中电阻高，冷却时电阻在 99°C 左右骤降，表明导电通路在冷却过程中快速形成。这主要是因为 Sn42Bi58合金凝固时体积膨胀，使合金颗粒接触形成导电通路，同时热固性树脂基质固化收缩也促使金属颗粒靠近。此外，树脂基质固化和金属熔化的顺序对导电通路形成至关重要，金属必须先于树脂熔化。
5. CPM 墨水在全 3D 打印应力应变传感器中的应用
研究人员设计并制备了全 3D 打印的电容式应力应变传感器，以 CPM 导电复合墨水构建电极，柔性硅橡胶为中间介电层。测试结果显示，该传感器在不同压力和应变下电容响应呈线性且稳定，灵敏度为 0.225% kPa-1，能准确响应低至 5 kPa 的压力，经 2000 次循环压缩后无疲劳和电容漂移，表现出优异的循环稳定性。
研究人员开发的这种低温可烧结、高导电、机械性能良好且适合 DIW 3D 打印的复合墨水，为 3D 打印电子和储能设备领域带来了新的希望。其独特的体积变化效应构建导电通路的方式，为其他高导电复合材料的设计提供了新思路。同时，基于该墨水制备的应力应变传感器性能卓越，展现了该材料在实际应用中的巨大潜力，有望推动 3D 打印技术在多领域的进一步发展和应用。
