中国计量大学 光学与电子科技学院，杭州310018
利用实验加仿真模拟的方法探究了纳米颗粒墨水中Cu含量（Cu/In+Ga，CGI）对铜铟镓硫硒（CIGSSe）太阳能电池性能的影响。首先，通过不同CGI墨水制备了CIGSSe太阳能电池器件，并对其吸收层进行了SEM，霍尔效应，以及拉曼光谱表征。表征结果表明：随着铜含量上升，吸收层晶体生长状况逐渐改善，且载流子浓度也逐步增大，但吸收层表面却存在越发明显的Cu2-xSe杂相。实验得出当吸收层的CGI为1.03时，器件的能量转换效率（PCE）最高，达10.09%。随后建立了对应的器件仿真模型，获得了具有不同CGI的CIGSSe器件的能量转换效率、器件能带与复合率分布情况，模拟结果表明：随着铜含量提高，载流子浓度上升，器件的开路电压有所提升，但当载流子浓度超过1018 cm-3时，吸收层表面出现了陡峭的能带弯曲现象，这增大了隧穿界面复合的发生，从而影响了器件的能量转换效率。因此，由实验与仿真模拟表明：制备CIGSSe薄膜太阳能电池时，有必要对Cu含量进行调控，从而达到促进晶体生长，减少界面复合，提升器件能量转换效率的目的。
铜铟镓硫硒 纳米颗粒墨水法 铜含量 仿真模拟 界面复合 CIGS nanoparticles ink method CGI analogue simulation interface recombination
华南理工大学 发光材料与器件国家重点实验室， 广东 广州 510641
喷墨打印制备的量子点（Quantum dots，QDs）薄膜形貌对多层发光器件的性能影响显著（如量子点发光二极管），其中咖啡环与拱状形貌是典型的薄膜均匀性问题，通过液滴调控实现高质量QDs薄膜是发展量子点电致发光显示的关键。研究工作表明，通过溶剂实施的墨水调控被证明是改变沉积薄膜形貌的有效手段。然而，优化出可消除咖啡环或拱状形貌的墨水流变参数往往需要大量耗时的实验，墨水配制筛选效率低。本研究基于薄膜形貌分析结合机器学习方法，试图将溶剂流变参数与喷墨打印QDs薄膜形貌直接联系起来，并以红光QDs为溶质，以烷烃或直链酯类为溶剂，研究发现通常使用的一元溶剂和二元溶剂体系中，所使用溶剂的沸点比表面张力或粘度参数对薄膜沉积形貌的影响更加显著，在二元溶剂中薄膜形貌与沸点较高的溶剂组分密切相关。为得到厚度均匀的平整薄膜，建议一元溶剂墨水体系的溶剂或二元溶剂墨水体系中较高沸点的溶剂的沸点范围为250~265 ℃。
量子点墨水 喷墨打印 溶剂 机器学习 quantum dot ink inkjet printing solvent machine learning
国防科技大学 空天科学学院, 新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室, 长沙 410073
陶瓷基多孔结构既继承致密陶瓷材料耐高温、电绝缘、化学稳定的优异性能, 又兼具多孔结构低密度、高比表面积、低热导率的独特优势, 已被广泛应用于隔热、骨组织工程、过滤及污染物清除、电子元器件等领域。但是, 陶瓷基多孔结构的传统成孔方法在宏观尺度创造复杂几何外形与微纳尺度调控孔结构形态方面仍面临巨大挑战。近几十年来, 研究人员一直致力于创新陶瓷基多孔结构的加工成型方法, 以直写3D打印为代表的增材制造技术成为当前研究的热点, 并迅速发展出一系列成熟理论与创新方法。本文首先概述了陶瓷基多孔结构的传统成孔方法与增材制造成孔方法, 进一步详细介绍了直写组装成孔工艺过程, 主要包括假塑性墨水配方、固化策略、干燥及后处理, 分析了传统成孔方法与直写3D打印二者的组合技术在构筑陶瓷基多级孔结构方面的可行性, 总结了直写3D打印技术在制造复杂陶瓷基多孔结构领域的新观点、新进展和新发现, 最后结合陶瓷基多孔结构实际应用现状对直写3D技术的未来发展与挑战进行了展望。
增材制造 直写3D打印 陶瓷 多孔材料 功能应用 综述 additive manufacturing direct-ink-writing 3D printing ceramic porous material functional application review
1 河南省数控技术工程技术研究中心，郑州 450000
2 河南职业技术学院，郑州 450000
3 郑州大学，郑州 450001
直写成型技术有利于成型结构复杂的个性化、定制化产品，而在成型致密实心结构时存在内部结构的孔隙问题和力学性能的各向异性问题。本研究以Al2O3为原料，选用直径为2.0 mm的喷嘴进行打印，当层高设置为0.8 mm时(喷嘴直径的40%)，打印样品内部结构较为致密，未观察到孔隙的存在，解决了内部结构孔隙问题；且此时平行于层间与垂直于层间的力学性能较为接近，各向异性指数接近100%，缓解了力学性能各向异性问题。
直写成型 三维打印 氧化铝 direct ink writing 3-dimension printing alumina
北京印刷学院印刷与包装工程学院，北京 102600
为确定光变油墨颜色测量的几何条件，选用不同企业提供的22个基于光变油墨印制的匀色色块，使用X-Rite MAT12多角度分光光度计进行样品的颜色测量。结果表明，在15°：0°（as15°）、45°：-60°（as-15°）测量条件下的油墨色度值与油墨生产商标定的颜色变化效果较为一致，但现有测量条件不能全面表征光变油墨的颜色变化范围。进一步地，使用R1角分辨光谱仪基于自定义的（α，β）测量条件进行样本的光谱测量，提出选用5°：0°（as5°）和60°：-55°（as5°）测量条件可测得光变油墨的最大色调变化范围。基于22个样本在不同角度下的饱和度测量结果，拟合得到45°：-40°（as5°）测量条件下可测得光变油墨较大饱和度值。使用上述3个测量条件，可全面表征光变油墨颜色再现的属性，同时也可进行不同品牌光变油墨的防伪鉴定。
视觉光学 视觉色彩 光变油墨 颜色测量 光学学报
2023, 43(22): 2212003
1 北京科技大学科技史与文化遗产研究院, 北京 100083
2 北京文物古建工程公司, 北京 100050
繁峙公主寺位于山西省五台山地区, 是明清时期集宗教场所与民众娱乐于一体的建筑遗存。 寺内壁画与彩塑绘制精巧, 尤其是大雄殿四壁壁画场面宏大, 构图严谨, 色彩鲜明, 是保存较为完整的明代水陆壁画精品。 目前公主寺壁画存在部分画面漫漶不清、 出现裂隙的情况, 通过实地考察与科技分析, 不仅可以揭示水陆壁画使用的原料和工艺, 也为日后开展修复材料的筛选与文物本体的保护工作提供一手资料。 研究运用显微镜观察(OM)、 拉曼光谱(RAM)、 红外光谱(FTIR)、 激光粒度分析(LPSA)、 X射线衍射(XRD)、 X射线荧光光谱法(XRF)、 扫描电镜能谱分析(SEM-EDS)及热裂解气相色谱质谱分析(Py-GC/MS)等多种科技手段, 对公主寺壁画制作材料及工艺进行分析研究。 实验结果显示: 壁画使用传统工艺绘制, 以土坯砖墙作为支撑体, 地仗层分为粗泥层与细泥层, 再涂刷一层打底的白粉层, 最后绘颜料层。 支撑体、 地仗用土与当地土样的成分相似, 整体颗粒粒径分布均以粉粒为主, 细泥层砂粒含量较粗泥层偏高, 粗、 细泥层分别掺有麦秸、 麻纤维等加筋材料。 尤其是通过红外光谱分析发现白粉层材料为高岭土； 应用拉曼光谱结合SEM-EDS分析确定了壁画所用的颜料, 蓝色为蓝铜矿(2CuCO3·Cu(OH)2), 白色为铅白(2PbCO3·Pb(OH)2), 绿色为人造氯铜矿、 羟氯铜矿(Cu2(OH)3Cl), 红色、 黄色与粉色颜料的显色物质为朱砂(HgS)、 铁红(Fe2O3)、 铁黄(FeO(OH))、 铅丹(Pb3O4)与铅白, 存在混合颜料进行调色的现象； 另外, 应用热裂解气相色谱质谱分析进一步辨别黑色颜料, 根据多环芳烃的相对含量对比结果与检出的松科类植物燃烧产物, 判断其为松烟墨, 同时确定了壁画绘制添加的胶结材料为动物胶。 该结果为公主寺壁画艺术研究提供更多原始信息, 丰富了对明代山西水陆壁画制作材料与工艺的科学认知。
公主寺 水陆壁画 明代 动物胶 松烟墨 Princess Temple Water-and-Land-Mural Ming Dynasty Animal glue Pine wood soot ink 光谱学与光谱分析
2023, 43(4): 1155
1 金陵科技学院材料工程学院, 南京 211169
2 金陵科技学院理学院, 南京 211169
3 中国电子科技集团公司第二十八研究所, 南京 210007
4 2.金陵科技学院理学院, 南京 211169
Cu2ZnSnS4薄膜因其元素地壳含量丰富、无毒且具有优异的光电性能, 受到研究者的广泛关注。本文基于纳米墨水法用Cd部分取代Zn制成了Cu2(CdxZn1-x)SnS4(CCZTS)薄膜, 研究退火时间和后退火温度对薄膜及其太阳电池性能的影响。研究结果表明, 所制备的薄膜为CCZTS相, 无其他杂相, 薄膜表面平整且致密, 结晶性较好。随着退火时间增加, 薄膜的晶粒尺寸有所增大, 薄膜太阳电池的pn结质量得到提升, 其性能也随之提高。通过对薄膜太阳电池进行后退火处理, 分析了吸收层的元素扩散对电池性能的影响, 在Cd元素形成梯度分布时, 电池性能有所提高。随着后退火温度的增加, 其电池性能和pn结质量呈现先提高后下降的趋势。经后退火300 ℃处理后, 电池转换效率最佳, 为3.13%。
Cu2(CdxZn1-x)SnS4薄膜 CCZTS/CdS太阳电池 退火时间 后退火 纳米墨水法 化学浴沉积 Cu2(CdxZn1-x)SnS4 thin film CCZTS/CdS solar cell annealing time post-annealing nano-ink method chemical bath deposition
1 陕西科技大学轻工科学与工程学院, 陕西 西安 710021
2 中国轻工业功能印刷与运输包装重点实验室, 陕西 西安 710021
基于密度与光谱反射率的关系建立了一种凹版专色梯尺的光谱反射率预测模型。 该方法首先依据密度的定义建立实地光谱反射率与其密度的关系, 并基于实地光谱反射率建立阶调光谱反射率的计算方法; 然后根据密度的叠加原理, 假设阶调密度与实地密度比例关系成立建立阶调密度、 实地密度和承印物密度的关系; 最后结合计算阶调光谱反射率的方法建立凹版专色梯尺光谱反射率预测模型; 调配30种专色油墨通过凹印实打样, 对预测模型通过决定系数R2和色差进行验证。 实验结果表明, 不同专色在同一网点面积率下实际阶调密度与实际实地密度的比例系数相同, 两者的决定系数R2均大于0.98。 在此关系基础上所建立的预测模型在不同网点面积率下都具有较高的决定系数, 其均方根误差都小于0.01, 最大色差为2.667 NBS。 最后另外调配10种专色油墨在相同工艺条件下实打样样张, 利用实际阶调密度与实际实地密度的比例系数, 通过色差公式进而验证该模型预测专色油墨梯尺光谱反射率的精度。 色差结果表明, 82.12%的色差小于2.5 NBS, 大部分色差在0.5～2 NBS之间, 占据了总频率的58.32%, 平均色差为1.58 NBS, 达到了企业精细复制颜色的要求。 验证了该模型对于预测凹印专色梯尺光谱反射率具有较高精度, 可为数码打样代替凹印上机打样提供科学方法。
油墨密度 光谱反射率 专色梯尺 预测模型 Ink density Spectral reflectance Spot color scale Prediction model
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Mechanical Engineering, University of Colorado Denver, Denver, CO 80217, United States of America
2 Department of Chemistry, University of Colorado Boulder, Boulder, CO 80309, United States of America
3 School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, People’s Republic of China
4 National Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Composites in Special Environments, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, People’s Republic of China
Covalent adaptable network (CAN) polymers doped with conductive nanoparticles are an ideal candidate to create reshapeable, rehealable, and fully recyclable electronics. On the other hand, 3D printing as a deterministic manufacturing method has a significant potential to fabricate electronics with low cost and high design freedom. In this paper, we incorporate a conductive composite consisting of polyimine CAN and multi-wall carbon nanotubes into direct-ink-writing 3D printing to create polymeric sensors with outstanding reshaping, repairing, and recycling capabilities. The developed printable ink exhibits good printability, conductivity, and recyclability. The conductivity of printed polyimine composites is investigated at different temperatures and deformation strain levels. Their shape-reforming and Joule heating-induced interfacial welding effects are demonstrated and characterized. Finally, a temperature sensor is 3D printed with defined patterns of conductive pathways, which can be easily mounted onto 3D surfaces, repaired after damage, and recycled using solvents. The sensing capability of printed sensors is maintained after the repairing and recycling. Overall, the 3D printed reshapeable, rehealable, and recyclable sensors possess complex geometry and extend service life, which assist in the development of polymer-based electronics toward broad and sustainable applications.
bond exchange reactions polyimine covalent adaptable networks direct ink writing rehealable electronics recyclability International Journal of Extreme Manufacturing
2022, 4(1): 015301
1 1.东华大学 材料科学与工程学院, 纤维改性国家重点实验室
2 2.东华大学 功能材料研究中心, 上海 201620
制备硒化银(Ag2Se)薄膜材料对于组装微型器件至关重要, 目前大部分制备方法难以精确控制薄膜尺寸并进行图案化设计, 喷墨打印技术成为解决这一问题的有效方法, 实现其与Ag2Se材料的组合具有重要意义。本工作通过溶剂热法制备了Ag2Se纳米颗粒, 再与不同分散剂混合以筛选出适用于喷墨打印的稳定墨水, 进一步调节喷射参数以优化打印过程中墨滴的形态, 提高打印质量。将墨水打印至聚酰亚胺衬底上, 经热处理后制备得到Ag2Se薄膜。使用不同手段对其物相与微结构进行表征, 并测试不同打印层数薄膜的电学性能。结果表明: 随着墨水固含量与打印层数增加, Ag2Se薄膜的结晶度和致密度得到明显提升, 电导率也得到相应提高, 这主要源于薄膜内部Ag2Se纳米颗粒沉积量与堆积密集程度增加。当使用固含量为5 mg·mL-1的墨水进行打印, 打印层数为40层时, Ag2Se薄膜的电导率达到399 S·cm-1, 表现出较高的导电性能。本研究为制备Ag2Se基薄膜材料与器件提供了新的方向。
喷墨打印 Ag2Se 墨水 电导率 inkjet printing Ag2Se ink electrical conductivity
