这是一篇发表在 ACS Applied Electronic Materials 上的系统性综述，格里菲斯大学课题组把DIW浆料直写在可穿戴电子领域的进展从墨水、工艺、器件三个层面串了起来。对设备端读者而言，这篇文章最有参考价值的地方其实不在器件性能，而在于它汇总了大量分散在各篇原始论文中的工艺参数——喷嘴口径、挤出压力、打印速度、填料含量、流变区间。这些数字平时很难集中看到，凑齐之后，"做可穿戴电子的 DIW 平台该配成什么样"这个问题就有了具体答案。

先说清楚为什么这个方向必须用直写。可穿戴器件要贴皮肤、要可拉伸、要在异形表面共形，还要在同一个器件里集成传感、储能、供能多种功能。传统光刻与溅射依赖掩膜版和真空腔体，能做的是平面或简单叠层，跨尺度三维布线做不了，多材料一体化更做不了。DIW 用喷嘴在数字路径下逐层沉积浆料，不需要模具，可以从微米跨到毫米尺度，还能切换浆料实现多材料同步沉积——这几条恰好把上面的需求对上了。

从综述汇总的设备参数区间看起

文献中反复出现的商用平台大致分两类：气动挤出与机械／活塞精密推送。综述给出的几组配置很能说明问题。

气动路线里，Fisnar F4200n 台式机器人配气动点胶阀常用于氧化石墨烯电极与锂电池打印，喷嘴直径约 203.2 μm；Nordson Ultimus V 气压泵配 Aerotech 三轴平台在银／TPU 软电子与锂电池研究中使用最广，其参数组合值得逐项看——绝缘 TPU 基底用 410 μm 针头，导电 Ag/TPU 墨水用 200 μm 针头，打印速度 5–20 mm/s，电极墨水压力 0.5–5 psi，电解质墨水压力 5–25 psi。同一台设备上，不同功能层用不同针头、不同压力，压力跨度达到一个数量级，这就是多材料打印对流量控制提出的实际要求。

高分辨率路线上，nScrypt 3Dn-300 采用压力驱动注射器配可调喷嘴阀，陶瓷喷嘴口径覆盖 12.5–125 μm，气压 0–100 psi，适合固态电池这类需要精细特征的场景。把这些案例并排看，可穿戴电子 DIW 的喷嘴需求集中在 10 μm 到数百微米这个范围，而压力需求跨越两个数量级——这意味着单一压力档位的整机很难覆盖全部应用，压力分辨率与可调范围比压力上限更重要。

流变窗口：四个数量级里的两类墨水

墨水能不能打，判据落在流变上。行业通用 Herschel-Bulkley 模型描述这类浆料的流动行为，τ = τ_y + Kγ̇ⁿ，其中 τ_y 是屈服应力、K 是黏度参数、n 是幂律指数。可穿戴电子用墨水按成型方式分成两类。

第一类是低黏度墨水，某些 TPU 体系黏度约在 10¹–10² Pa·s，本身不足以自支撑，挤出后必须靠热固化或光固化迅速定型。第二类也是更常见的一类，是剪切变稀墨水：高剪切下黏度降低便于挤出，低剪切下迅速恢复高黏弹性保证结构自立。文献报道的黏度窗口跨度很大——低剪切（10⁻² s⁻¹）下可达 10⁵ Pa·s，高剪切（10² s⁻¹）下降到 10¹ Pa·s，四个数量级的落差正是"能挤出又不塌陷"的物理基础。

除黏度外，储能模量 G′ 与损耗模量 G″ 的相对关系决定形状保持能力。以氧化石墨烯凝胶化墨水为例，小剪切应力下 G′ 约为 G″ 的十倍，表明挤出后抗变形能力较强；剪切应力增大到一定程度后 G″ 反超 G′，墨水转为流动状态顺利通过喷嘴。实际调浆时，这个交叉点的位置比绝对黏度值更值得关注，它直接对应设备上的启动压力阈值。

填料体系与各自的工艺代价

配方层面，这类墨水基本都是四组分结构，各组分承担的任务并不重叠：溶剂决定分散稳定性与干燥速率，粘结剂搭出柔性骨架，功能助剂负责把流变曲线与固化行为调到位，导电填料则直接决定成品的电学与力学表现。综述把主流填料逐类列了出来，各自的适用边界都相当清楚。

氧化石墨烯表面带有大量含氧官能团，能在水和醇类这些绿色溶剂里稳定分散，属于环境友好体系的代表。它的可打印性几乎完全由浓度这一个变量控制：约 1 mg/mL 时体系还是可流动的液态分散液，加到约 100 mg/mL 便转为凝胶状墨水。中间有两个值得记住的刻度——0.75 mg/mL 是黏性液体转为黏弹性软固体的临界浓度；到 4.5 mg/mL 时储能模量 G′ 落在 15–77 Pa 区间，已明显压过 G″，体系呈现类聚合物网络的液晶凝胶结构。若进一步在片层上开出纳米孔洞做成 holey GO，这些孔洞可充当离子传输通道，电化学储能方向用得上。

室温液态金属这一类，代表是共晶镓铟（eGaIn）与 Galinstan。它们的电学指标相当突出——电阻率低到约 29×10⁻⁶ Ω·cm，eGaIn 熔点约 15.7 ℃，延展性极高，暴露在空气中时表面迅速长出一层氧化皮，反而有助于在基底上附着。麻烦出在流变一侧：本体黏度只有约 2.4 mPa·s，这个数量级意味着它天然不具备可打印性，挤出后液滴容易聚并，垂直方向的结构根本立不住。文献给出的解法是往体系里加东西——超声分散镍颗粒，或者引入铂修饰的碳纳米管，把黏度与弹性抬起来；经过这类改性之后，三维互连与悬空丝束结构才做得出来。

银片、银纳米颗粒、铜纳米线、炭黑等则分别搭配热塑性聚氨酯、硅橡胶、羟丙基纤维素等柔性粘结剂使用。这一类体系的核心权衡在渗流阈值、拉伸回复能力、灵敏度三者之间——填料含量越接近渗流阈值，形变下的电阻变化越剧烈、灵敏度越高，但导电网络也越脆弱、循环稳定性越差。

应变传感器：灵敏度由配方与结构共同决定

在可穿戴这条线上，落地最成熟的器件是应变传感器，按工作原理分为压阻式与压电式两支。压阻式的响应来自导电填料网络——材料发生形变时填料之间的接触状态随之改变，电阻输出因此变化。综述挑了两个对照案例，把配方选择如何反过来决定器件性能这件事讲得很透。

先看 Ag/TPU 体系。墨水将直径 2–5 μm 的银片与 TPU 一同分散在 DMF 中，银片体积分数定在 36%。打印流程是先铺绝缘 TPU 基底、再走导电线路，成品是一张可贴合织物的传感阵列，外接单片机后能把肘关节的弯曲信号翻译成 LED 阵列显示。局限有两处。一处在填料尺寸：2–5 μm 的银片本身就给打印分辨率划了下限。另一处在填料用量：36% 的体积分数相对该体系约 17% 的渗流阈值高出一倍有余，导电网络已经过度冗余，形变时接触状态的相对变化被稀释，应变因子 GF 因此只有 13.3 左右。

另一个案例把灵敏度推得更高，材料换成银纳米颗粒与硅橡胶的复合墨水，器件由多材料 DIW 逐层堆叠而成。结构上一共五层：作基底的一层、走螺旋线路的传感层、一对电极、一层隔离层，外加支撑层。设计上最关键的一步，是让职能不同的两层采用不同银含量——负责感知的那层取 68 wt%，刻意贴近 67.45 wt% 这一渗流阈值，使导电网络处于临界状态；负责导流的电极层则提到 75 wt%，用灵敏度换电导率。分工的结果是 GF 约 180，手指弯曲与脉搏均可测出。压力段的表现同样具体：绝对电阻在约 100 kPa 时为 1.14 kΩ，压到 400 kPa 降至 95 Ω，电流变化率相应从约 5000% 走到约 8000%。

把两个案例摆在一起，提升灵敏度的方向就清楚了，大致三条：在结构上引入多孔或间隙设计，让形变时接触面积的变化被放大；把填料含量往渗流阈值附近收，不做成冗余网络；改用纳米级导电填料来搭建更敏感的渗流网络。三条之中，最后一条附带解决了打印分辨率问题，综合来看更值得优先考虑。

直写锂电与摩擦纳米发电机

可穿戴系统的另一半问题是供能。锂电池的传统做法是叠片式——正极、隔膜、负极沿厚度方向依次堆叠。DIW 介入之后多出两种可选架构：一种是三明治式厚电极，靠加厚活性层把单位面积容量做上去；另一种是平面叉指式，正负极在同一平面内交错排布，体积能量密度得以最大化，微电子设备用这一种更合适。

这条路线的起点可以追到 2013 年那篇 DIW 微叉指锂电池的报道。正负极分别用磷酸铁锂与钛酸锂，墨水配方是把活性物质当填料，粘结剂选纤维素，溶剂由去离子水、乙二醇与甘油三者调配；结构打完之后往电极间隙里灌液态电解质，封装即成器件，8 层叉指在 1C 倍率下已经能给出可逆容量。往后全 3D 打印的 LFP/LTO 电池数据更完整——电流密度设为 50 mA·g⁻¹，循环 10 圈后比容量稳定在 100 mAh·g⁻¹ 附近；首圈的充电与放电容量分别是 117 和 91 mAh·g⁻¹，活化完成后分别升到 110 与 108 mAh·g⁻¹。

要把这类电池做柔，思路是从集流体下手：往电极墨水里掺入碳纳米纤维充当内置集流体，把金属箔替换掉，同时将电极做成多孔结构以利锂离子传输。电解质一侧同样有进展——陶瓷／聚合物复合电解质墨水以 PVDF 搭配 Al₂O₃ 纳米颗粒，溶剂用 NMP 与甘油的双组分体系，靠干燥过程中的相分离自发形成均匀多孔结构；把它顺序打印在 LFP 正极上，可得到一体化的打印电极膜组件，0.2C 倍率下容量约 160 mAh·g⁻¹，层间界面紧密连续。不过这些数字需要放在合适的坐标里看：能量密度、功率密度与循环寿命三项，DIW 锂电池目前都还落后于商用产品。

摩擦纳米发电机负责把人体运动的机械能转成电能，是自供电系统的能量入口。它对 DIW 相当友好——摩擦层、聚合物骨架、导电电极三类结构都能直写成型，全程既不需要真空腔体也不需要高温。已见报道的路线有两条：一条用双喷头同步挤出复合树脂与离子水凝胶，构筑超柔性 3D-TENG；另一条以快速固化硅橡胶为墨水、配合铝箔构成双负电摩擦层。输出功率与打印线条间距、纤维层厚度、走线路径直接挂钩，而这几项恰好都是切片软件里可以数字化调节的变量。材料端还有一条兼顾环保的分支，用聚癸二酸甘油酯与碳纳米管复合，发电性能与可降解性同时兼顾。

设备适配：把综述参数落到整机配置上

把上述参数汇总起来，一台面向可穿戴电子研究的 DIW 平台，配置需求可以拆成几条具体条款。

压力分辨率优先于压力上限。电极墨水 0.5–5 psi、电解质墨水 5–25 psi、高分辨率场景 0–100 psi，这个跨度下低压段的控制精度是关键。0.5 psi 量级的调节如果只能以 1 psi 为步进，参数根本调不出来。选型时应关注最小调节步进与压力闭环稳定性，而不是看最大输出。

多针头与独立压力通道。同一器件里 410 μm 基底针头与 200 μm 导电针头并存，且各自压力不同，这要求设备具备多路独立气压／流量输出与自动换头能力。手动换头在多层器件上不现实——每换一次就要重新对高，层间对位精度无法保证。

细喷嘴对应的过滤与分散前处理。12.5 μm 陶瓷喷嘴意味着填料的最大粒径必须控制在亚微米量级，2–5 μm 的银片在这个口径下完全不可用。墨水配制阶段的筛分、高压均质、离心去除大颗粒是必要工序，设备侧则建议在料筒与针头之间加装在线滤网。

原位固化模块的预留。低黏度 TPU 类墨水必须挤出后立即固化，设备应预留光源或加热模块的安装位与同步控制接口，使固化动作能够跟随喷头运动。这一模块是低黏度体系能否打印的分水岭。

速度与流量的联动。打印速度 5–20 mm/s 的区间内，出料量必须随速度线性变化，否则转角处会堆料、直线段会缺料。控制系统需要支持流量与运动速度的联动补偿，而不是全程恒定压力。

现存瓶颈与方向判断

综述在谈局限时态度相当克制，几条问题都摆得比较直白。墨水黏度上存在两难：黏度高有利于形状保持，但挤出压力与堵塞风险跟着上去；黏度低则必须额外配套原位固化手段。器件性能上，打印电池与纳米发电机在能量密度、功率输出、循环稳定性这几项，多数仍不及成熟工艺做出来的同类产品。产业化层面的阻力来自纳米填料——成本偏高，批次一致性也难控制，从实验室向产线放大因此走得慢。而更根本的一条是，墨水的流变参数（G′、G″、屈服应力）与最终器件性能之间还没有建立起定量关联模型，参数优化到今天基本仍靠经验试错。

最后这一条其实是设备端最值得投入的方向。如果打印过程中能在线采集挤出压力、流量、线宽等信号并与后续器件性能建立对应关系，试错次数就能大幅压缩。综述给出的四个发展维度里，工艺端的在线传感与闭环控制、装备端的自动化产线集成，都是围绕这一点展开的。

本文完整总结的DIW可穿戴电子全套成型工艺、墨水调配逻辑，能够支撑各类柔性传感、储能器件科研开发。天津铂邦科技专注DIW浆料直写设备研发制造，可根据科研、量产需求，提供标准化打印整机、软硬件系统定制、专属浆料工艺全流程技术服务。