CN106328262B - 一种可裁剪柔性导线、其制备装置以及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可裁剪柔性导线，由液态金属与弹性体组成，并且液态金属颗粒分散在弹性体中。该柔性导线被裁剪后液态金属材料不会流出，并且可以承受拉伸、弯曲等形变，当发生拉伸和弯曲等形变时，其电阻基本不会发生变化。本发明中还提供了一种可大规模制备可裁剪柔性导线的装置，包括混料装置，电流探测装置、导体管道、保护层管道，以及加热装置，利用该装置制备的可裁剪柔性导线的性能稳定、拉伸应变大、拉伸后可恢复且导线可以被裁剪，在柔性电子技术中具有潜在的应用价值。

Description

一种可裁剪柔性导线、其制备装置以及制备方法

技术领域

本发明涉及柔性电子技术领域，尤其涉及一种可裁剪柔性导线、其制备装置以及制备方法，在柔性电子器件互连、柔性导线等领域具有广泛的应用前景。

背景技术

近年来，随着可穿戴、可植入设备的兴起，柔性电子学受到了全球范围越来越广泛的关注。2000年《科学》杂志将柔性电子学列为“21世纪十大新兴科技”之一，2010年《电子工程时报》将柔性电子技术列为“全球十大新兴技术”之一。

要实现电子器件的全柔性化，导电线路、导线材料作为电子器件中不可或缺的一部分也需要实现柔性化。

目前存在的柔性导线主要有以下几种：1、固体导电填料和弹性材料复合制备的柔性导线，但此种方法制备的柔性导线在拉伸过程中电导率变化很大；2、离子导体型柔性导线，虽然此种方法制备的柔性导线拉伸率较大，但拉伸过程中电阻变化较大，并且制备工艺复杂；3、液态金属注入弹性材料管中，形成弹性材料作为管壁包裹液态金属的柔性导线结构，利用此种方法制备的柔性导线虽然拉伸率比较大，但是柔性导线一旦剪裁，液态金属将溢出，因此该柔性导线不可以裁剪，并且很难大批量的产业化生产。

发明内容

针对上述技术现状，本发明提供一种可裁剪柔性导线，其导体部分由液态金属与弹性体组成，并且液态金属颗粒分散在弹性体中。

所述的液态金属材料是在室温下为液态的金属导电材料，包括但不限于汞、镓铟合金、镓铟锡合金，以及过渡族金属、固态非金属元素的一种或几种掺杂的镓铟合金、镓铟锡合金等。

所述的弹性体由弹性材料构成。

作为优选，所述的柔性导线外围包覆保护层，所述的保护层由弹性材料构成。

所述弹性材料在外力作用下可以发生变形，包括但不限于硅胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、橡胶、水凝胶、聚氨酯、SEBS、POE等中的一种或者几种。

作为优选，所述的可裁剪柔性导线中，液态金属的体积百分含量大于5％。

所述的弹性体可以分为两种，第一种是在常温下为固态，加热熔融；第二种是在常温下为液态，加热固化。当所述的弹性体属于第一种时，作为一种实现方式，所述的导体部分由液态金属与熔融的弹性体均匀混合后降温固化而成。当所述的弹性体属于第二种时，作为一种实现方式，所述的导体部分由液态金属与液态的弹性体均匀混合后加热固化而成。

即，本发明将液态金属与弹性体复合在一起，使液态金属颗粒分散在弹性体中，具有如下有益效果：

(1)弹性体本身虽然导电性能较差，但是具有良好的柔韧性，；液态金属不仅具有优异的导电性而且可以流动；两者混合形成的柔性材料不仅具有良好的柔韧性同时也具有优异的导电性能；

(2)本发明将液态金属颗粒分散在弹性体中，限制了金属颗粒的流动，因此当该柔性导线被裁剪后，液态金属材料不会流出，被称为可裁剪柔性导线。

(3)该可裁剪柔性导线可以承受拉伸、弯曲等形变，其形变度可超过700％，当发生拉伸和弯曲等形变时，其电阻基本不会发生变化。并且通过调节弹性体的体积百分含量，能够调节该可裁剪柔性导线的电阻率，以满足导线的实际需要。

本发明还提供一种制备上述可裁剪柔性导线的装置，包括混料装置、导体管道、保护层管道、电流探测装置，以及加热装置。

混料装置包括搅拌器，用于将液态金属与弹性体混合，形成混合体；导体管道用于混合体成型固化为导体，其入口端与所述混料装置连通，出口端一侧的外部套接着保护层管道；保护层管道用于保护层材料成型固化，在导体外表面形成保护层。

电流探测装置包括用于探测所述混合体电性能的探针，以及与探针相连的电流表。

加热装置包括第一加热体和/或第二加热体，还包括第三加热体和/或第四加热体。

当弹性体是由常温下为固态、加热熔融的弹性材料构成时，第一加热体用于加热熔融所述弹性体，液态金属与熔融的弹性体搅拌混合均匀，形成混合体；

当弹性体是由常温下为液态、加热固化的弹性材料构成时，液态金属与液态弹性体搅拌混合均匀，形成混合体；第二加热体用于加热固化所述混合体中的弹性体。

当保护层是由常温下为固态、加热熔融的弹性材料构成时，第三加热体用于加热熔融所述保护层。

当保护层是由常温下为液态、加热固化的弹性材料构成时，第四加热体用于加热固化所述保护层。

作为优选，所述的电流表优选设置在混料装置外部。

作为优选，所述的搅拌器由电机驱动。

作为优选，所述的第一加热体设置在混料装置底部。

作为优选，所述的第二加热体设置在导体管道靠近出口端一侧。

作为优选，所述的第三加热体设置在保护层管道靠近入口端一侧。

作为优选，所述的第四加热体设置在保护层管道靠近出口端一侧。

作为优选，所述的第一加热体可以是设置在混料装置外部的加热丝。

作为优选，所述的第二加热体可以是设置在导体管道外部的加热丝。

作为优选，所述的第三加热体可以是设置在保护层管道外部的加热丝。

作为优选，所述的第四加热体可以是设置在保护层管道外部的加热丝。

利用该装置进行的方法如下：

(1)将液态金属与弹性体加入混料装置中；

当弹性体是由常温下为固态、加热熔融的弹性材料构成时，第一加热体加热熔融弹性体，液态金属与熔融的弹性体搅拌混合均匀，形成混合体，搅拌使其与液态金属混合，形成混合体，探针探测该混合体，直到电流表有电流通过；在压力作用下，混合体流入导体管道，降温固化成型为导体进入保护层管道；

当弹性体是由常温下为液态、加热固化的弹性材料构成时，液态金属与液态弹性体搅拌混合均匀，形成混合体，探针探测该混合体，直到电流表有电流通过；在压力作用下，混合体流入导体管道，第二加热体加热固化混合体中的弹性体，成型为导体进入保护层管道；

(2)将保护层从保护层管道入口端处注入；

当保护层是由常温下为固态、加热熔融的弹性材料构成时，经第三加热体加热，保护层熔融，包裹在导体外表面，然后降温固化，在导体外表面形成保护层；

当保护层是由常温下为液态、加热固化的弹性材料构成时，保护层包裹在导体外表面，经第四加热体加热固化，在导体外表面形成保护层。

与现有技术相比，利用该装置制备的可裁剪柔性导线的性能稳定、拉伸应变大、拉伸后可恢复且导线可以被裁剪，在柔性电子技术中具有潜在的应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例1中的可裁剪柔性导线的结构示意图；

图2是本发明实施例1中制备可裁剪柔性导线的装置结构示意图；

图3是本发明实施例1中制得的可裁剪柔性导线在未拉伸状态下和拉伸状态下的电阻。

具体实施方式

以下结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而不对其起任何限定作用。

图1中的附图标记是：11-保护层，22-液态金属颗粒，33-弹性体；

图2中的附图标记是：1-混料装置，2-搅拌器，3-电流表，4-探针，5-第一加热体，6-第二加热体，7-导体管道，8-保护层管道，9-第四加热体，10-可裁剪柔性导线，11-第三加热体。

实施例1：

本实施例中，可裁剪柔性导线如图1所示，由导体部分与保护层11部分组成，保护层部分包覆在导体部分的外表面。导体部分由液态金属与弹性体33组成，并且液态金属颗粒22分散在弹性体33中。

液态金属材料是镓-铟-锡合金，是在室温下为液态的金属导电材料。

弹性体由弹性材料PDMS构成，在外力作用下可以发生变形。

保护层由弹性材料PDMS构成，在外力作用下可以发生变形。

该可裁剪柔性导线中，液态金属材料的体积百分含量大于5％。

图2是制备上述可裁剪柔性导线的装置结构示意图，包括混料装置1、电流探测装置、导体管道7、保护层管道8，以及加热装置。

混料装置1包括搅拌器2，该搅拌器由电机驱动。该混料装置1用于将液态金属与弹性体搅拌混合，形成混合体。

电流探测装置包括用于探测该混合体电性能的探针4，以及与探针4相连的电流表3。本实施中，电流表3设置在混料装置1的外部。

导体管道7的入口端与混料装置1连通，出口端一侧的外部套接着保护层管道8。

加热装置包括用于加热混料装置1内常温下为固态的弹性体使其熔融的第一加热体5；用于加热流入导体管道7内的常温下为液态的弹性体和液态金属混合物，使其固化的第二加热体6；用于加热常温下为固态的保护层材料使其熔融的第三加热体11，以及用于加热常温下为液态的保护层材料使其固化的第四加热体9。

并且，第一加热体5是设置在混料装置1外部的加热丝，其位于混料装置1的下端。第二加热体6是设置在导体管道7外部的加热丝，其位于导体管道7的靠近出口端一侧。第三加热体11是设置在保护层管道8外部的加热丝，其位于保护层管道8注入口位置。第四加热体9是设置在保护层管道8外部的加热丝，其位于保护层管道8靠近出口端一侧。

利用该装置制备可裁剪柔性导线的方法如下：

(1)将液态金属合金镓-铟-锡与弹性材料PDMS以质量比2:1的比例加入混料装置1中，PDMS常温下为液态，搅拌使其与液态金属合金混合，形成混合体，探针4探测该混合体，直到电流表3有电流通过；

(2)在压力作用下，混合体流入导体管道7，经第二加热体6加热固化混合体中的弹性体，成型为导体进入保护层管道8；

(3)将保护层材料PDMS从保护层管道入口端注入，保护层材料包裹在导体外表面，经第四加热体9加热固化，在导体外表面形成保护层，得到可裁剪柔性导线10。

如图3所示，上述制得的可裁剪柔性导线在未拉伸状态时的电阻和拉伸状态时的电阻，显示电阻变化很小。

实施例2：

本实施例中，可裁剪柔性导线如图1所示，由导体部分与保护层部分组成，保护层部分包覆在导体部分的外表面。导体部分由液态金属与弹性体组成，并且液态金属颗粒分散在弹性体中。

液态金属材料是镓-铟-锡合金，是在室温下为液态的金属导电材料。

弹性体由弹性材料SEBS构成，在外力作用下可以发生变形。

保护层由弹性材料SEBS构成，在外力作用下可以发生变形。

该可裁剪柔性导线中，液态金属材料的体积百分含量大于5％。

制备上述可裁剪柔性导线的装置结构与实施例中的装置结构完全相同。

利用该装置制备可裁剪柔性导线的方法如下：

(1)将液态金属合金镓-铟-锡合金与弹性材料SEBS以质量比为2:1的比例加入混料装置1中。SEBS常温下为固态，利用第一加热体5加热SEBS使其熔融，加热温度为230℃，搅拌使其与液态金属混合，形成混合体。探针4探测该混合体，直到电流表3有电流通过。

(2)在压力作用下，混合物流入导体管道7，熔融混合物在导体管道7中降温固化，成型为导体进入保护层管道8。

(3)将保护层材料SEBS颗粒从保护层管道入口端注入，经第三加热体11加热熔融进入保护层管道，包裹在导体外表面，然后降温固化，得到可裁剪柔性导线。

类似图3所示，上述制得的可裁剪柔性导线在未拉伸状态时的电阻和拉伸状态时的电阻，显示电阻变化很小。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应该理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种可裁剪柔性导线的导体部分的制备方法，所述可裁剪柔性导线的导体部分由液态金属与弹性体组成，液态金属颗粒分散在弹性体中；所述的液态金属材料是在室温下为液态的金属导电材料；所述弹性体由弹性材料构成，所述弹性材料在外力作用下可以发生变形，其特征是：

当所述弹性体在常温下为固态、加热熔融时，所述的导体部分由液态金属与熔融的弹性体均匀混合后降温固化而成；

当所述弹性体在常温下为液态、加热固化时，所述的导体部分由液态金属与液态的弹性体均匀混合后加热固化而成。

2.如权利要求1所述的可裁剪柔性导线的导体部分的制备方法，其特征是：所述的液态金属材料包括汞、镓铟合金、镓铟锡合金，以及过渡族金属、固态非金属元素的一种或几种掺杂的镓铟合金、镓铟锡合金。

3.如权利要求1所述的可裁剪柔性导线的导体部分的制备方法，其特征是：所述的弹性体材料包括硅胶、PDMS、橡胶、水凝胶、聚氨酯、SEBS、POE中的一种或者几种。

4.如权利要求1所述的可裁剪柔性导线的导体部分的制备方法，其特征是：所述的可裁剪柔性导线中，液态金属的体积百分含量大于5％。

5.如权利要求1至4中任一权利要求所述的可裁剪柔性导线的导体部分的制备方法，其特征是：所述的柔性导线外围包覆保护层，所述的保护层材料是弹性材料。

6.如权利要求5所述的可裁剪柔性导线的导体部分的制备方法，其特征是：所述弹性材料包括硅胶、PDMS、橡胶、水凝胶、聚氨酯、SEBS、POE中的一种或者几种。

7.一种制备可裁剪柔性导线的装置，其特征是：包括混料装置、导体管道、保护层管道、电流探测装置，以及加热装置；

混料装置包括搅拌器，用于将液态金属与弹性体混合，形成混合体；导体管道用于混合体成型固化为导体，其入口端与所述混料装置连通，出口端一侧的外部套接着保护层管道；保护层管道用于保护层材料成型固化，在导体外表面形成保护层；

电流探测装置包括用于探测所述混合体电性能的探针，以及与探针相连的电流表；

加热装置包括第一加热体和/或第二加热体，还包括第三加热体和/或第四加热体；

当弹性体是由常温下为固态、加热熔融的弹性材料构成时，第一加热体用于加热熔融所述弹性体，液态金属与熔融的弹性体搅拌混合均匀，形成混合体；

当弹性体是由常温下为液态、加热固化的弹性材料构成时，液态金属与液态弹性体搅拌混合均匀，形成混合体；第二加热体用于加热固化所述混合体中的弹性体；

当保护层是由常温下为固态、加热熔融的弹性材料构成时，第三加热体用于加热熔融所述保护层；

当保护层是由常温下为液态、加热固化的弹性材料构成时，第四加热体用于加热固化所述保护层。

8.如权利要求7所述的制备可裁剪柔性导线的装置，其特征是：所述的电流表设置在混料装置外部。

9.如权利要求7所述的制备可裁剪柔性导线的装置，其特征是：所述的搅拌器由电机驱动。

10.如权利要求7所述的制备可裁剪柔性导线的装置，其特征是：所述的第二加热体设置在导体管道靠近出口端一侧。

11.如权利要求7所述的制备可裁剪柔性导线的装置，其特征是：所述的第三加热体设置在保护层管道靠近入口端一侧。

12.如权利要求7所述的制备可裁剪柔性导线的装置，其特征是：所述的第四加热体设置在保护层管道靠近出口端一侧。

13.如权利要求7所述的制备可裁剪柔性导线的装置，其特征是：所述的第一加热体是设置在混料装置外部的加热丝。

14.如权利要求7所述的制备可裁剪柔性导线的装置，其特征是：所述的第二加热体是设置在导体管道外部的加热丝。

15.如权利要求7所述的制备可裁剪柔性导线的装置，其特征是：所述的第三加热体是设置在保护层管道外部的加热丝。

16.如权利要求7所述的制备可裁剪柔性导线的装置，其特征是：所述的第四加热体是设置在保护层管道外部的加热丝。

17.利用权利要求7至16中任一权利要求所述的装置制备可裁剪柔性导线的方法，其特征是：

(1)将液态金属与弹性体加入混料装置中；

当弹性体是由常温下为固态、加热熔融的弹性材料构成时，第一加热体加热熔融弹性体，液态金属与熔融的弹性材料搅拌混合均匀，形成混合体，搅拌使其与液态金属混合，形成混合体，探针探测该混合体，直到电流表有电流通过；在压力作用下，混合体流入导体管道，降温固化成型为导体流至保护层管道；

当弹性体是由常温下为液态、加热固化的弹性材料构成时，液态金属与液态弹性体搅拌混合均匀，形成混合体，探针探测该混合体，直到电流表有电流通过；在压力作用下，混合体流入导体管道，第二加热体加热固化混合体中的弹性体，成型为导体流至保护层管道；

(2)将保护层从保护层管道入口端处注入；

当保护层是由常温下为固态、加热熔融的弹性材料构成时，经第三加热体加热，保护层熔融，包裹在导体外表面，然后降温固化，在导体外表面形成保护层；

当保护层是由常温下为液态、加热固化的弹性材料构成时，保护层包裹在导体外表面，经第四加热体加热固化，在导体外表面形成保护层。