近日，西北工业大学张开富教授团队在气溶胶喷墨打印方向取得了新进展，成功发展了外加声场辅助聚焦的超高精度气溶胶喷墨共形打印策略，突破了行业的极限分辨率，在高精度、高集成共形电子制造领域具有重要应用潜力，研究成果以“Enhanced aerosol-jet printing using annular acoustic field for high resolution and minimal overspray”为题发表在Nature Communications（2024, 15, 6317）上。论文第一作者为博士研究生马腾，通讯作者为张开富教授、程晖教授和易城林教授。原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50789-w
气溶胶喷墨打印（Aerosol Jet Printing, AJP）是一种新兴的非接触式共形电子制造技术，能够在任意基底上制造出符合电子需求的精细特征。然而，由于非接触式的共形喷印形式使得气溶胶油墨液滴在沉积过程中易出现漂移分散，导致打印精度不足或失准，尤其在进行高分辨率打印时极其出现过度喷涂与稳定性不足的问题，限制了其在高精度、高集成共形电子制造中的深远应用。为了解决这一问题，并进一步突破打印性能指标，研究团队提出了一种极为有效的环形声场辅助聚焦的气溶胶喷墨打印方法。
声聚焦辅助气溶胶喷墨打印示意
研究对传统的打印喷嘴结构进行了改型优化，从而将环形压电致动器集成于新型喷嘴之外，并通过确定适用于气溶胶纳米颗粒的最佳聚焦频率（5.8MHz），对喷射的气溶胶油墨液滴进行声聚焦补偿，最终实现了精确而稳定高分辨打印。结果表明，声聚焦辅助的气溶胶喷墨打印线宽小于6μm，过度喷涂小于0.1μm。这相比于传统打印，极限分辨率被突破达60±5%，导电性增加至180±5%。
声聚焦辅助气溶胶喷墨打印沉积形貌表征
此外，研究进一步验证了声聚焦辅助气溶胶喷印方法的稳定性与可靠性。通过调整参数确保多尺度的打印线宽稳定后，激活声场并分析气溶胶喷印沉积特性。结果显示，声聚焦在多尺度沉积特征上具有一致性与充分性，其有效减小沉积表面粗糙度至90%，沉积孔隙率由22.6±1.3%降至3.4±0.8%，沉积内部纳米结构致密度充分提升。由多次开启和关闭声聚焦验证了其重复性，其表现出优秀的各向同性打印能力，并实现了高分辨率高集成度的阵列喷印，无电气短路。在连续的稳定性测试后发现，其工作的稳定时长得到了加倍提升。
综上，研究团队实现了气溶胶喷印的极限精度、成型质量、电学性能与稳定性的综合优化与突破，对于该技术在高性能共形电子制造的应用提供了深远的支撑与推进作用。
该研究工作依托飞行器高性能装配工业和信息化部重点实验室开展，得到了国家自然科学基金（52205417）、基础科学研究计划（JCKY2021607B036）、广东省基础与应用基础研究基金（2021A1515110600）等项目的资助。
撰稿：马腾 审核：罗明
