CN107452434A - 一种导电粉末‑液态金属液滴及其制备方法与应用 - Google Patents

一种导电粉末‑液态金属液滴及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种导电粉末‑液态金属液滴及其制备方法与应用。包括步骤：将液态金属以液滴的形式置于铺有导电粉末的容器上，然后震荡容器，液态金属液滴在容器中滚动，使导电粉末覆盖在液态金属液滴表面，形成导电粉末‑液态金属液滴。本发明导电粉末（石墨烯）与液态金属（镓铟锡合金、镓铟共晶）均具有高导电性与导热性。采用高导电性的石墨烯粉末包裹液态金属液滴，避免了液态金属直接接触金属基底，防止液态金属做出污染、腐蚀等损伤金属基底的行为。并且，所述导电粉末‑液态金属液滴具有一定的机械灵活性，不会限制液态金属液滴作为柔性导体的性能，而且不影响液态金属液滴的导电性能，同时保持了金属基底原有的性能。

Description

一种导电粉末-液态金属液滴及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及柔性电子电路领域，尤其涉及一种导电粉末-液态金属液滴及其制备方法与应用。
背景技术
自然生命系统中由柔软的单元进行生物功能，如，通过皮肤和触摸的感觉进行肌肉控制身体的运动。模仿这些一般的生物功能，人工智能系统由工程设计材料等策略来接受各种机械变形。液态金属（镓铟锡合金(GaInSn)、镓铟共晶(EGaIn)）是一个能满足柔性导体要求的有前途的材料。这种液态金属有几个特别的属性：表面张力高、电导率高、低毒性、低蒸气压。这些性质使液体金属成为应用于电子产品和互联、软传感器等方面的可重构和可伸缩的理想材料。
近年来，液态金属液滴已成为使用液态金属的一个策略。液态金属液滴可以作为核心或建筑块来实现特定的功能。例如，电化学原理自动推进或光化学诱导运动的液态金属机器人、用于冷却微型装置的冷却剂介质、一种用于新型机器人的自燃电动机等。但液态金属与传统的金属导体结合起来应用的时候，液态金属容易对传统的金属基底造成损伤，如污染、腐蚀金属基底，从而降低、破坏传统金属基底的导电性。
目前防止金属腐蚀的一般方法是在金属基底表面涂覆一层隔离物，防止腐蚀体直接接触金属导体。但这种方法存在的缺点是：涂覆物会影响金属基底的性能，如电导率降低、导热率降低等；如果是金属薄片基底，涂覆物还可能会影响金属薄片的弯曲柔韧性。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种导电粉末-液态金属液滴及其制备方法与应用，旨在解决现有液态金属容易对传统的金属基底造成损伤，从而降低、破坏传统金属基底的导电性的问题。
本发明的技术方案如下：
一种导电粉末-液态金属液滴的制备方法，其中，包括步骤：用注射器将液态金属以液滴的形式置于铺有石墨烯粉末的培养皿上，然后震荡培养皿，液态金属液滴在培养皿上滚动10秒，使石墨烯粉末覆盖在液态金属液滴表面，形成石墨烯粉末-液态金属液滴；
所述液态金属为熔点11℃的镓铟锡合金；
所述液滴的直径为2mm；
所述石墨烯粉末为片状的，所述石墨烯粉末的片层大小为20μm，电导率为105S/m，纯度＞95%，比表面积为200m2/g；
所述培养皿上石墨烯粉末的厚度为5nm，层数为8层。
一种导电粉末-液态金属液滴的制备方法，其中，包括步骤：将液态金属以液滴的形式置于铺有导电粉末的容器上，然后震荡容器，液态金属液滴在容器中滚动，使导电粉末覆盖在液态金属液滴表面，形成导电粉末-液态金属液滴。
所述的导电粉末-液态金属液滴的制备方法，其中，所述液态金属为镓铟锡合金、镓铟共晶、镓、锌镓合金、汞、Wood合金中的一种。
所述的导电粉末-液态金属液滴的制备方法，其中，所述导电粉末为石墨烯粉末、石墨粉末、导电聚合物粉末中的一种。
所述的导电粉末-液态金属液滴的制备方法，其中，所述液滴的直径为2-3mm。
所述的导电粉末-液态金属液滴的制备方法，其中，所述容器上导电粉末的厚度为3.4-8nm，层数为6-10层。
所述的导电粉末-液态金属液滴的制备方法，其中，所述导电粉末为石墨烯粉末；所述石墨烯粉末的大小为5-50μm，电导率为105S/m，纯度＞95%，比表面积为100-300m2/g。
所述的导电粉末-液态金属液滴的制备方法，其中，所述石墨烯粉末是片状的。
一种导电粉末-液态金属液滴，其中，采用如上任一所述的导电粉末-液态金属液滴的制备方法制备而成。
一种如上所述导电粉末-液态金属液滴的应用，其中，将所述导电粉末-液态金属液滴应用于柔性电子电路中。
有益效果：本发明所述导电粉末与液态金属均具有高导电性与导热性。采用高导电性的导电粉末包裹液态金属液滴，从而避免了液态金属直接接触金属基底，防止液态金属做出污染、腐蚀等损伤金属基底的行为。并且，形成的导电粉末-液态金属液滴的结构具有一定的机械灵活性，不会限制液态金属液滴作为柔性导体的性能，而且不影响液态金属液滴的导电性能，同时保持了金属基底原有的性能。
附图说明
图1为实施例1中石墨烯粉末-液态金属液滴的制备过程示意图。
图2为实施例1中石墨烯粉末-液态金属液滴的结构示意图。
图3为实施例1中石墨烯粉末-液态金属液滴从斜面滚动的示意图。
具体实施方式
本发明提供一种导电粉末-液态金属液滴及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种导电粉末-液态金属液滴的制备方法，其中，包括步骤：将液态金属以液滴的形式置于铺有导电粉末的容器上，然后震荡容器，液态金属液滴在容器中滚动，使导电粉末覆盖在液态金属液滴表面，形成导电粉末-液态金属液滴。
本发明所述导电粉末与液态金属均具有高导电性与导热性。采用高导电性的导电粉末包裹液态金属液滴，从而避免了液态金属直接接触金属基底，防止液态金属做出污染、腐蚀等损伤金属基底的行为。并且，形成的导电粉末-液态金属液滴的结构具有一定的机械灵活性，不会限制液态金属液滴作为柔性导体的性能，而且不影响液态金属液滴的导电性能，同时保持了金属基底原有的性能。
具体地，导电粉末-液态金属液滴的制备方法为，将液态金属以液滴的形式置于铺有导电粉末的容器（所述容器上导电粉末的厚度为3.4-8nm，层数为6-10层）上，所述液滴的直径约为2-3nm，然后震荡容器，液态金属液滴在容器中滚动约10秒，使导电粉末覆盖在液态金属液滴表面，形成导电粉末-液态金属液滴。
优选地，所述液态金属可以为镓铟锡合金、镓铟共晶、镓、锌镓合金、汞、伍德合金(Wood合金)等中的一种。更优选地，所述液态金属为镓铟锡合金、镓铟共晶中的一种。
优选地，所述导电粉末可以为石墨烯粉末、石墨粉末、导电聚合物粉末等中的一种。更优选地，所述导电粉末为石墨烯粉末。所述石墨烯粉末是片状的，所述石墨烯粉末的大小为5-50μm，电导率为105S/m，纯度＞95%，比表面积为100-300m2/g。本发明采用高导电性的石墨烯粉末包裹液态金属（如镓铟锡合金、镓铟共晶）液滴（液滴直径约为2-3mm），片状的石墨烯粉末包裹着液态金属液滴，在液滴表面构筑类似“鸟巢”的结构，“鸟巢”结构避免了液态金属直接接触金属基底，防止液态金属做出污染、腐蚀等损伤金属基底的行为。并且，该结构具有一定的机械灵活性，不会限制液态金属液滴作为柔性导体的性能，而且不会影响液态金属液滴的导电性能，同时保持了金属基底原有的性能，“鸟巢”状的石墨烯粉末充当了很好的“柔性导电桥”作用。
本发明提供一种导电粉末-液态金属液滴，其中，采用如上任一所述的导电粉末-液态金属液滴的制备方法制备而成。
本发明还提供一种如上所述导电粉末-液态金属液滴的应用，其中，将所述导电粉末-液态金属液滴应用于柔性电子电路中。
下面通过实施例对本发明进行详细说明。
实施例
1、结合图1所示，石墨烯-液态金属液滴的制备方法如下：
用注射器1将液态金属2（熔点为11℃的镓铟锡合金、熔点为15.7℃的镓铟共晶中的一种）以液滴3（液滴直径约为2mm）的形式挤出来，置于铺满了石墨烯粉末4（所述石墨烯粉末为片状的，厚度为5nm，片层大小为20μm，层数为8层，电导率为105S/m，纯度＞95%，比表面积为200m2/g）的培养皿上，然后震荡培养皿，液滴滚动约10秒，使石墨烯粉末覆盖在液态金属液滴表面，黑色的石墨烯粉末覆盖住液态金属的金属光泽，形成石墨烯-液态金属液滴5。
2、石墨烯-液态金属液滴的结构
本实施例形成的所述石墨烯-液态金属液滴中，石墨烯粉末是片状的，而且具有高导电性，片状的石墨烯粉末被吸附在液态金属液滴表面，在液滴表面构筑类似“鸟巢”的结构，如图2所示。“鸟巢”结构避免了液态金属直接接触金属基底；且该结构不会限制液态金属液滴作为柔性材料的性能，更不会对金属基底造成影响，“鸟巢”状的石墨烯粉末充当了很好的“柔性导电桥”作用。
3、测试结果
如图3所示，将石墨烯-液态金属液滴6放在一个倾斜角度θ可调节的金属基底薄膜7上，慢慢地调节金属基底薄膜7的倾斜角度，直至石墨烯-液态金属液滴6开始滚动下来。
表1-6为石墨烯-液态金属液滴在不同金属基底上的滚动角度数据。由表中的数据可以看出，当金属基底倾斜到一定的角度后，石墨烯处理后的液态金属液滴会从金属基底上滚动下来；然而，没有石墨烯处理的液态金属液滴会粘在金属基底上，不能滚动。该现象说明石墨烯能使液态金属液滴不粘在金属基底上，从而起到防止金属基底被损伤的作用。测试中使用了镓铟锡合金（GaInSn）和镓铟共晶（EGaIn）两种液态金属，得到了相同的测试结果，证明了该方法的通用性。
表7为石墨烯-液态金属液滴在不同金属基底上的电阻值，所述石墨烯-液态金属液滴电阻值的测试方法为，两电极插入石墨烯-液态金属液滴中，但极针不触碰到金属基底。由表中的数据可以看出石墨烯-液态金属液滴具有良好的导电性。R值为石墨烯-液态金属液滴在不同金属基底上测量的电阻值，RLM为未处理的液态金属液滴在不同金属基底上测量的电阻值，R-RLM值为石墨烯-液态金属液滴本身的电阻值。
本实施例还对石墨烯-液态金属液滴与未处理的液态金属液滴在不同基底上的损伤情况进行了测试。将石墨烯-液态金属液滴分别置于不同的金属基底（铜箔、金的聚对苯二甲酸乙二酯薄膜、银的聚酰亚胺薄膜、镍的聚对苯二甲酸乙二酯薄膜、银的聚对苯二甲酸乙二酯布）上，移走石墨烯-液态金属液滴后，液滴没有留下明显的痕迹，金属基底没有被损伤。而未处理的液态金属液滴置于不同的金属基底上，移走液滴后，液态金属留下痕迹，金属基底被损伤。从而可以证明石墨烯包裹液态金属液滴可以起到防止金属基底被损伤的作用。
表1、石墨烯-液态金属液滴在金属铜箔上的滚动角度
铜箔 开始滚动的角度°
石墨烯-GaInSn液滴 7.3 ± 1.4
石墨烯-GaIn液滴 6.2 ± 1.7
GaInSn液滴 粘住
GaIn液滴 粘住
表2、石墨烯-液态金属液滴在金属铝箔上的滚动角度
铝箔 开始滚动的角度°
石墨烯-GaInSn液滴 7.5 ± 1.9
石墨烯-GaIn液滴 9.0 ± 2.1
GaInSn液滴 粘住
GaIn液滴 粘住
表3、石墨烯-液态金属液滴在金的聚对苯二甲酸乙二酯
薄膜上的滚动角度
金的聚对苯二甲酸乙二酯薄膜 开始滚动的角度°
石墨烯-GaInSn液滴 8.2 ± 2.6
石墨烯-GaIn液滴 5.7 ± 2.3
GaInSn液滴 粘住
GaIn液滴 粘住
表4、石墨烯-液态金属液滴在银的聚酰亚胺薄膜上的滚动角度
银的聚酰亚胺薄膜 开始滚动的角度°
石墨烯-GaInSn液滴 6.5 ± 1.8
石墨烯-GaIn液滴 7.1 ± 1.7
GaInSn液滴 粘住
GaIn液滴 粘住
表5、石墨烯-液态金属液滴在镍的聚对苯二甲酸乙二酯
薄膜上的滚动角度
镍的聚对苯二甲酸乙二酯薄膜 开始滚动的角度°
石墨烯-GaInSn液滴 8.3 ± 1.6
石墨烯-GaIn液滴 6.1 ± 2.4
GaInSn液滴 粘住
GaIn液滴 粘住
表6、石墨烯-液态金属液滴在银的聚对苯二甲酸乙二酯
布上的滚动角度
银的聚对苯二甲酸乙二酯布 开始滚动的角度°
石墨烯-GaInSn液滴 7.7 ± 2.2
石墨烯-GaIn液滴 6.9 ± 2.5
GaInSn液滴 粘住
GaIn液滴 粘住
表7、石墨烯-液态金属液滴在不同金属基底上的电阻值
铜箔 R (Ω mm-1) RLM (Ω) R-RLM (Ω mm-1)
石墨烯-GaInSn液滴 0.4 ± 0.1 0.0025 0.4 ± 0.1
石墨烯-GaIn液滴 0.4 ± 0.1 0.0015 0.4 ± 0.1
金的聚对苯二甲酸乙二酯薄膜
石墨烯-GaInSn液滴 0.9 ± 0.0 0.351 0.5 ± 0.0
石墨烯-GaIn液滴 0.9 ± 0.1 0.363 0.5 ± 0.1
银的聚酰亚胺薄膜
石墨烯-GaInSn液滴 0.6 ± 0.1 0.0807 0.5 ± 0.1
石墨烯-GaIn液滴 0.6 ± 0.1 0.0803 0.5 ± 0.1
银的聚对苯二甲酸乙二酯布
石墨烯-GaInSn液滴 0.7 ± 0.1 0.452 0.6 ± 0.1
石墨烯-GaIn液滴 0.7 ± 0.0 0.407 0.6 ± 0.0
综上所述，本发明提供的一种导电粉末-液态金属液滴及其制备方法与应用，本发明利用的导电粉末（石墨烯）与液态金属（镓铟锡合金、镓铟共晶）均具有高导电性与导热性。采用高导电性的石墨烯粉末包裹液态金属液滴（液滴直径约为2-3mm），片状的石墨烯粉末包裹着液态金属液滴，在液滴表面构筑类似“鸟巢”的结构，“鸟巢”结构避免了液态金属直接接触金属基底，防止液态金属做出污染、腐蚀等损伤金属基底的行为。并且，该结构具有一定的机械灵活性，不会限制液态金属液滴作为柔性导体的性能，而且不影响液态金属液滴的导电性能，同时保持了金属基底原有的性能。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种导电粉末-液态金属液滴的制备方法，其特征在于，包括步骤：用注射器将液态金属以液滴的形式置于铺有石墨烯粉末的培养皿上，然后震荡培养皿，液态金属液滴在培养皿上滚动10秒，使石墨烯粉末覆盖在液态金属液滴表面，形成石墨烯粉末-液态金属液滴；
所述液态金属为熔点11℃的镓铟锡合金；
所述液滴的直径为2mm；
所述石墨烯粉末为片状的，所述石墨烯粉末的片层大小为20μm，电导率为105S/m，纯度＞95%，比表面积为200m2/g；
所述培养皿上石墨烯粉末的厚度为5nm，层数为8层。
2.一种导电粉末-液态金属液滴的制备方法，其特征在于，包括步骤：将液态金属以液滴的形式置于铺有导电粉末的容器上，然后震荡容器，液态金属液滴在容器中滚动，使导电粉末覆盖在液态金属液滴表面，形成导电粉末-液态金属液滴。
3.根据权利要求2所述的导电粉末-液态金属液滴的制备方法，其特征在于，所述液态金属为镓铟锡合金、镓铟共晶、镓、锌镓合金、汞、Wood合金中的一种。
4.根据权利要求2所述的导电粉末-液态金属液滴的制备方法，其特征在于，所述导电粉末为石墨烯粉末、石墨粉末、导电聚合物粉末中的一种。
5.根据权利要求2所述的导电粉末-液态金属液滴的制备方法，其特征在于，所述液滴的直径为2-3mm。
6.根据权利要求2所述的导电粉末-液态金属液滴的制备方法，其特征在于，所述容器上导电粉末的厚度为3.4-8nm，层数为6-10层。
7.根据权利要求2所述的导电粉末-液态金属液滴的制备方法，其特征在于，所述导电粉末为石墨烯粉末；所述石墨烯粉末的大小为5-50μm，电导率为105S/m，纯度＞95%，比表面积为100-300m2/g。
8.根据权利要求4所述的导电粉末-液态金属液滴的制备方法，其特征在于，所述石墨烯粉末是片状的。
9.一种导电粉末-液态金属液滴，其特征在于，采用如权利要求2-8任一所述的导电粉末-液态金属液滴的制备方法制备而成。
10.一种如权利要求9所述导电粉末-液态金属液滴的应用，其特征在于，将所述导电粉末-液态金属液滴应用于柔性电子电路中。
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