高场辅助的AgNW-PDMS互连深度打印技术，用于制备具有优异伸展性能的传感器

《Sensors and Actuators A: Physical》：High-field-assisted deep printing of AgNW-PDMS interconnects for robust stretchable sensors

高场辅助深印刷技术通过单步工艺将银纳米线网络嵌入PDMS基体，形成三维导电结构，有效解决了传统表面沉积法存在的分层和电阻漂移问题。实验表明该复合材料的拉伸应变可达30%，经1000次循环加载后仍保持稳定的导电性能，模拟证实导电路径的冗余设计增强了机械适应性。该技术为可穿戴传感器和软体机器人提供了可靠的连接方案。

　　

Janghyuk Moon | Gijung Park | Hyunseong Shin | Jung-Hoon Yun

韩国首尔中昂大学能源系统工程学院，邮编06974

摘要

可拉伸电子设备依赖于能够同时提高制造效率和机械稳定性的制造技术。在这项研究中，我们提出了一种高场辅助深度印刷方法，该方法能够在一步中将银纳米线（AgNW）网络嵌入聚二甲基硅氧烷（PDMS）基质中。与传统基于表面的沉积技术不同，这种方法通过将导电网络整合到聚合物主体中，创建了一个机械上更为坚固的界面，有效减轻了分层现象并提高了耐用性。机电特性测试表明，在单调拉伸（高达30%的应变）和循环加载（1000次循环）条件下，深度印刷的AgNW–PDMS复合材料的导电性保持稳定，其电阻变化明显低于表面印刷的同类材料。进一步的模拟显示，即使在拉伸过程中发生角度重定向，导电路径仍然得以保持，为网络提供了内在的冗余性。这些结果表明，高场深度印刷工艺为下一代可穿戴传感系统和软体机器人中具有机械韧性的互连提供了一种有前景的制造平台。

引言

可拉伸电子设备依赖于能够在显著机械变形下保持其电气功能的设备架构。这类设备应用于多个领域，包括柔性显示器[1]、[2]、[3]、可穿戴设备[4]、[5]、[6]以及软体机器人[7]、[8]、[9]。由于材料、制造技术和集成策略的进步[10]、[11]，这些应用在过去十年中得到了迅速发展，从而推动了全球可拉伸电子市场的显著增长。

然而，可拉伸设备的商业化仍面临重大挑战，主要包括：(i) 在制造过程中实现高效率；(ii) 确保在机械拉伸条件下的长期电气性能稳定性[12]、[13]。在各种制造步骤中，电路沉积尤为重要，因为它直接影响设备的电气效率和机械强度。传统的电路制造方法，如喷墨印刷、光刻处理和转移印刷，对可拉伸系统的发展做出了重要贡献[14]、[15]、[16]。

特别是基于银纳米线（AgNW）的聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合材料，在高性能可拉伸应用中受到了广泛关注，例如柔性应变传感器[4]、[6]和柔性超声换能器。这些设备需要在较大变形下保持稳定的导电性和机械完整性。然而，现有的制造策略通常存在关键限制。例如，通过简单混合来制备复合材料需要较高的AgNW质量分数以建立导电渗透，这不可避免地会增加预聚物的粘度并降低最终产品的机械灵活性。另一方面，基于表面的沉积技术主要形成二维导电网络，虽然材料使用量较低，但AgNW层与PDMS基底之间的界面粘附力往往较弱。这种结构上的脆弱性常常导致在重复机械加载下出现分层或电阻显著漂移，从而限制了传感器的长期可靠性[17]、[18]、[19]。

在这项研究中，我们提出了一种高场辅助深度印刷方法，该方法将银纳米线（AgNW）电路体积嵌入聚合物基质中，从而形成坚固的三维导电网络，解决了二维表面涂层的结构局限。基于我们之前关于电驱动AgNW结形成的研究[20]，可以在PDMS固化过程中快速植入单层AgNW。该过程不仅嵌入了导电网络，还促进了纳米线之间的机械稳定连接。为了验证这项技术的有效性，我们通过拉伸测试和模拟进行了实验验证。结果表明，深度印刷的AgNW网络在重复变形下仍表现出优异的机械韧性和稳定的电气性能。

样本制备与表征

样品制备与表征

我们使用3D打印机（Sindoh A1）制备了模具，如图1所示。准备了一块铜板作为阳极，并在其上方放置了一个3D打印的模具。使用Pi胶带密封了基底。PDMS（Sylgard 184，Dow Corning）通过按10:1（重量比）混合基底和固化剂后，在真空室中以-0.08 MPa的压力下脱气1小时，以去除其中的气泡。随后，将脱气的PDMS混合物均匀涂覆在基底上。

对齐角度分布

图4a和图4b展示了使用高场辅助深度印刷工艺制备的AgNW–PDMS样品的代表性俯视图和侧视图。从俯视图（图4(a)）可以看出，AgNW网络形成了连续且横向均匀的导电路径，没有明显的聚集或不连续性，表明纳米线在预定电路区域均匀分布。这种均匀的表面形态表明所施加的电场起到了关键作用。

讨论

深度印刷方法利用电场作为驱动力进行制造。电场诱导的对齐和垂直迁移过程受到介电泳（DEP）力的控制[20]，这些力作用于低粘度液体PDMS中的高长径比AgNW上。这使得导电结的形成和三维嵌入能够在一步中完成。从制造可靠性的角度来看，该工艺具有较宽的操作窗口；我们确认了其稳定性。

结论

在这项研究中，我们提出了一种新型的高场辅助深度印刷策略，用于制备机械性能优异的AgNW-PDMS互连结构。通过在PDMS聚合过程中施加高强度电场，我们成功实现了导电网络的同时对齐和深度嵌入，从而解决了可拉伸电子设备中的关键挑战，特别是制造效率与机械性能之间的平衡问题。

资金来源

韩国科学技术信息通信部（Ministry of Science and ICT）项目编号：RS-2024-00405333 韩国科学技术信息通信部（Ministry of Science and ICT）项目编号：RS-2025-23524178

CRediT作者贡献声明

Gijung Park：可视化处理、形式分析。 Jung-Hoon Yun：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、数据管理。 Hyunseong Shin：验证工作。 Janghyuk Moon：撰写初稿、监督工作、软件开发。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了孔丘国立大学（Kongju National University）2025年的研究资助，以及韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（National Research Foundation of Korea, NRF）项目（项目编号：RS-2024-00405333）的支持。此外，该研究还得到了韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）项目（项目编号：RS-2025-23524178）的支持。

Janghyuk Moon于2009年在韩国首尔国立大学获得机械与航空航天工程学士学位，2015年获得同一大学的博士学位。2015年至2017年，他在三星先进技术研究院（Samsung Advanced Institute of Technology, SAIT）担任高级研究员。2017年至2018年任职于坤湖国立技术研究院（Kumoh National Institute of Technology），2018年至2022年在中昂大学（Chung-Ang University）担任助理教授。目前，他是中昂大学能源系统学院的副教授。