该研究由Xiong Zhou、Lida Xu、Lantian Tang、Xiaolong Lin、Xianwei Qian、Muhan Wu、Lingyun Wang以及Chao Wu等人完成，他们来自厦门大学机电工程系及福建省微纳制造与纳米技术研究院。该论文发表于《Additive Manufacturing》期刊，于2024年2月27日在线发布，文献号为83 (2024) 104058。

在学术背景方面，针对航空发动机涡轮叶片等复杂曲面高温部件表面实现厚膜传感器（Thick-Film Sensors, TFSs）的原位共形制造，是保障极端环境下关键部件健康监测的核心需求。传统接触式打印方法在三维曲面上的运动控制和路径规划非常复杂，而且容易受到基体表面粗糙度的影响。相比之下，非接触打印技术在复杂表面适应性方面具有天然优势，但当前主流非接触打印技术如气溶胶喷射打印和电流体动力学喷印，多局限于低粘度、低固含量的墨水体系，难以满足高温厚膜传感器对高固含量、高粘度功能浆料的成形需求。针对这一局限，本文提出并系统研究了一种压电-气动材料喷射打印（Piezoelectric-Pneumatic Material Jetting, PPMJ）方法，以实现复杂曲面上多层高温厚膜传感器的快速、均匀、原位共形制造。

在具体工作流程方面，本研究首先制备了以聚硅氮烷（Polysilazane, PSN2）为前驱体、以不同粒径和含量的氧化铟锡（Indium Tin Oxide, ITO）、二硼化钛（TiB₂）、硼（B）、碳化硅（SiC）等为功能填料的陶瓷墨水，并通过调节松香醇表面活性剂来调控高固含量墨水的润湿性与接触角。接着，作者利用自行搭建的PPMJ打印系统，采用仿生压电陶瓷位移放大结构驱动撞针高速撞击喷嘴，使高粘度浆料从直径50 μm的喷嘴中按需喷射。研究中通过高速摄像机记录液滴飞行姿态并测量飞行速度，结合高精度分析天平测量液滴质量，系统研究了撞针下降时间、行程等参数对液滴质量与速度的影响。为克服高固含量陶瓷墨水在高频冲击下连续剪切变稀导致的线宽失稳问题，作者提出了通过提高喷腔温度来降低墨水粘度、从而稳定线宽的方法。随后，作者研究了液滴间距和打印头相对运动速度对液滴融合与三相接触线平行性的影响，并通过调控基板温度实现对打印构件表面形貌的调控，包括中心高边缘低、平坦顶面和咖啡环结构等不同形貌。在共形打印能力验证方面，作者测试了喷嘴到基板距离从1 mm到10 mm范围内的打印线宽一致性，并在Al₂O₃块体不规则拐角面上快速打印了惠斯通电桥结构。最后，作者利用PPMJ在镍基高温合金基底上逐层打印了由ITO/SiCNO敏感层、AgPd引线、TiB₂/B/SiCNO保护层及具有梯度厚度的热阻层组成的多层高温厚膜热流传感器（Thick-Film Heat Flux Sensor, TFHFS），并在900 °C或850 °C下进行高温烧结，获得致密无裂纹的多层陶瓷结构。

在主要结果方面，流变测试结果表明，随着ITO固含量从低到高增加，陶瓷墨水的粘度显著增大，60 wt%固含量墨水在低剪切速率下粘度可达100 Pa·s，表现出剪切变稀行为，储能模量超过损耗模量，呈现类固态特性。加入6 wt%松香醇后，墨水接触角从49.82°降至15.78°，有助于改善高固含量墨水的流平性与成膜均匀性。液滴喷射实验显示，较短的撞针下降时间可获得更小液滴质量（约35 μg）和更高飞行速度（超过1 m/s），但过短的下落时间（如0.45 ms）会导致卫星液滴产生；增大撞针行程可提高液滴速度和体积，通过优化这两个参数可以实现对液滴质量与飞行速度的精细调控。PPMJ系统展示了宽广的打印窗口，可打印固含量高达60 wt%、粘度达100,000 mPa·s的墨水，涵盖绝缘、半导体和导电等多种材料体系。在线宽稳定性方面，通过控制喷腔温度在40 °C，可实现宽度约500 μm的连续线条均匀打印。非接触高度实验证明，在1–10 mm的喷嘴距基板高度范围内，线宽变化仅为372.3–375.9 μm，表现出优异的非接触打印高度容忍性。多层TFHFS断面的SEM图像显示，热解后的陶瓷膜层致密、无孔隙和裂纹，各层结合紧密，界面清晰，AgPd引线连续致密。在热流传感性能测试中，TFHFS在200–800 °C范围内表现出良好的电阻循环稳定性，其输出对热流密度呈现良好线性关系，热流灵敏度达12.31 mV/(kW/m²)，响应时间为1.07 s，上升时间为1.96 s，迟滞率为0.97%。在实际火焰冲击测试中，共形打印在涡轮叶片上的厚膜热敏电阻在丁烷火焰加热至800 °C时呈现同步电阻响应，并在移开火焰后迅速恢复，展示了优异的高温耐受性和响应特性。

在结论方面，本文提出并验证了PPMJ作为一种新型非接触共形打印策略，实现了在航空发动机涡轮叶片和轴承等复杂曲面上多层高温厚膜传感器的原位制造。该方法避免了接触式打印中的复杂运动控制问题、层间污染和基体损伤风险，同时拓宽了可打印墨水的固含量与粘度范围，为高温极端环境下多功能共形传感器件的快速、低成本制造提供了新的技术路径。

本研究的核心亮点在于：其一，开发了具有大位移放大能力的压电-气动喷射打印头，使得高粘度高固含量陶瓷浆料的按需喷射成为可能；其二，系统揭示了撞针动力学参数、喷腔温度、基板温度及液滴组装参数对打印形貌和线宽均匀性的影响规律；其三，展示了PPMJ在复杂三维曲面上直接打印多层高温厚膜热流传感器的能力，并在实际火焰冲击条件下验证了器件的热响应性能。文章的附加价值还包括对液滴融合与三相接触线形成机制的分析，以及通过控制基板温度实现不同表面形貌的“咖啡环”效应调控方法，这对于理解非接触打印中浆料干燥和成形行为具有重要参考意义。