曲率编程喷墨打印实现高斯烧结激光的自适应沉积

《Nature Communications》：Curvature programmed inkjet printing enables adaptive deposition for Gaussian sintering lasers

本文针对高斯激光烧结中因能量分布不均导致的烧蚀、飞溅等问题，提出了一种厚度匹配策略：通过数学模型计算最优沉积厚度分布，并利用喷墨打印技术制备具有理想曲率的电路。研究表明，该方法在ITO导电玻璃上实现了电导率提升3.8倍、透光率提高5.1%，在铜柔性电路中电导率提升160%，为高性能共形电路提供了一条实用的增材制造路径。

　　

在当今柔性电子和粉末床融合制造领域，选择性激光烧结技术因其微区辐射、高功率密度和可控扫描路径等特点，已成为实现微纳米颗粒快速致密化的关键技术。然而，单模激光器固有的高斯能量分布特性，导致烧结过程中出现中心烧蚀、边缘烧结不足等严重问题，严重影响器件性能。传统解决方案是通过光束整形器调制能量分布，但这种方法存在成本高、耐久性差、能量损失大（超过35%）等局限性。面对这些挑战，研究人员开始思考：能否换一种思路，不改变激光本身，而是让材料沉积形态去主动适应激光的特性？

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，北京航空航天大学能源与动力工程学院的研究团队提出了一种创新的"厚度匹配"策略。该策略的核心思想是通过精确控制沉积层的厚度分布，使其与高斯激光的能量分布相匹配，从而实现均匀烧结。研究团队首先通过数学模型计算出最优的厚度分布曲线，然后开发了一种可计算的喷墨打印方法，通过层层堆叠的方式制备出具有理想曲率轮廓的电路。

为了验证这一策略的有效性，研究团队在氧化铟锡（ITO）导电玻璃和铜（Cu）共形电路上进行了系统实验。结果显示，与传统的平面电路相比，曲率优化的电路在ITO导电玻璃上实现了电导率3.8倍的提升和透光率5.1%的增加；在铜电路中，电导率提高了160%。这些显著的性能改善证明了曲率匹配策略在解决高斯激光烧结非均匀性问题上具有独特优势。

关键技术方法包括：1）通过光束质量分析仪精确表征高斯激光的能量分布；2）采用乙二醇/异丙醇二元溶剂体系和外部温度场控制，有效抑制咖啡环效应，实现均匀单元电路的制备；3）通过可编程参数控制喷墨打印的层数和位移，实现曲率轮廓的精确调控；4）利用连续波光纤激光器和振镜扫描系统进行精确的激光烧结工艺控制。

高斯激光能量分布特征

研究人员首先系统地表征了正常扫描激光束的高斯能量分布特性。通过光束质量分析仪测量发现，在125-155 mm的工作距离范围内，激光束直径与轴向距离呈线性关系（D=0.042·z-5.15）。更重要的是，在不同功率（2-8 W）和不同束径（320-1500 μm）条件下，激光的径向强度分布均与高斯曲线高度吻合（确定系数R²≥0.997），证实了激光束稳定的高斯特性。

理想材料沉积轮廓计算

基于传热分析，研究团队建立了激光能量E_s与沉积厚度h之间的函数关系E_s=f(h)，其中考虑了激光穿透、反射和吸收等复杂机制。通过定点迭代计算，得到了与特定高斯激光相匹配的最优沉积厚度分布。对于实验中使用的激光参数（P=4 W，D=520 μm），计算得到的最佳沉积轮廓具有高斯分布特征，峰值厚度A_calc=14.5 μm，特征宽度W_calc=235 μm。

咖啡环抑制与单元电路制备

为了实现均匀的单元电路沉积，研究团队采用二元溶剂（乙二醇/异丙醇，体积比1:1）和外部温度场控制策略，通过平衡毛细管流（La）、热马兰戈尼流（Ma_T）和溶质马兰戈尼流（Ma_C）三种竞争性流动，有效抑制了咖啡环效应。理论计算表明，在150-190°C基底温度范围内，平衡指数Ma_C/(Ma_T+La)介于0.5-2之间，可实现均匀沉积，实验观察结果与理论预测高度一致。

曲率电路制备与验证

通过调整打印参数（单元宽度w₀、层厚h₀、位移d和层数n），研究团队实现了对堆叠电路轮廓的精确控制。基于质量守恒定律（w₀h₀=C≈340 μm²），建立了打印参数与目标轮廓参数之间的定量关系。通过优化参数（d=20 μm，w₀=140 μm，n=6）制备的曲率电路与理论轮廓的偏差E小于1.7%，证明了打印策略的有效性。

性能优势验证

烧结效果对比显示，平面沉积在激光高斯烧结中出现中心烧蚀、边缘烧结不足的问题，而曲率优化的沉积实现了整个电路区域的均匀烧结。X射线衍射（XRD）分析进一步证实，曲率电路表现出更尖锐、更窄的衍射峰，表明晶粒尺寸分布更窄、结晶度更高。在ITO导电玻璃应用中，曲率电路同时实现了高电导率（1/R_s>0.05 □/Ω）和高透光率（λ=550 nm时>92.5%）的协同优化。对于铜电路，曲率策略使电导率达到1.3×10⁵S·cm^-1，比平面电路提高160%。

研究结论表明，曲率编程的喷墨打印策略为高斯激光烧结提供了一种简单而有效的解决方案，避免了复杂的光束整形系统，同时实现了更均匀的烧结效果和更优异的器件性能。该方法展示了广泛的材料适应性（Ag、Cu、ITO、SrTiO₃等）和基底兼容性（从高熔点的Al₂O₃到低熔点的聚酰亚胺），为高性能共形电路的制造开辟了新的技术途径。尽管在加工速度和三维堆叠兼容性方面仍需进一步优化，但这项研究为增材制造领域提供了重要的理论指导和技术支撑。