CN108384039B - 一种液态金属与柔性基体界面粘附结构的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液态金属与柔性基体界面粘附结构的设计方法。该方法包括如下步骤：干燥环境中，将氰基丙烯酸酯类单体均匀负载在柔性基体的表面上，接着将表面吸附有水分子的液态金属均匀负载在表面含有氰基丙烯酸酯类单体的柔性基体上，静置，完成液态金属与柔性基体界面粘附结构的设计。本发明的设计方法简单易行，有效解决了液态金属与柔性基板的界面粘接技术问题，有利于实现可打印柔性液态金属集成电路的大规模制备，在制备可拉伸导体、柔性集成电路等领域具有重要的应用前景。

Description

一种液态金属与柔性基体界面粘附结构的设计方法
技术领域
本发明涉及柔性导电电子电路领域，具体涉及一种液态金属与柔性基体界面粘附结构的设计方法。
背景技术
随着工业4.0不断推动电子设备面向小型智能化发展，超薄曲面显示设备、软体机器人、电子皮肤、可穿戴设备等一批具有弯曲、折叠功能的柔性电子设备已成为当今科技领域的“弄潮儿”，对提高人类的智能生活水平具有划时代的意义。实现该柔性电子设备的核心技术之一就是柔性集成电路的制备。传统方法制备集成电路采用高模量的金属铜、金等为导电材料，其杨氏模量高达109以上，具有非常高的脆性，在弯曲、折叠过程中极易出现裂纹，导致电路失效，并且其制备过程中采用电镀、刻蚀等工艺产生大量的工业废水及有害气体。近年的研究报道表明，高导电、低模量、低熔点、在常温下接近液态的镓、铟、锡合金(杨氏模量接近101)可以显著改善、乃至消除柔性集成电路在弯曲、折叠过程中脆性裂纹的产生。因此，液态金属是制备新一代柔性集成电路的最佳备选导电材料之一。
此外，已有大量的研究证明，导电金属与柔性基板界面强度直接决定柔性电路的导电稳定性及其加工方法。目前，针对制备液态金属柔性集成电子电路制备技术的研究主要集中在如何实现可打印柔性液态金属集成电路，即可以直接在柔性基体上打印出任何想要的电路模型。
综上所述，目前，针对制备液态金属柔性集成电子电路制备技术的研究主要集中在如何实现可打印柔性液态金属集成电路，即可以直接在柔性基体上打印出任何想要的电路模型。实现该液态金属打印的关键技术是如何实现液态金属与柔性基板的界面粘接技术难题。液态金属与柔性基体界面粘附结构设计方法对于新一代柔性打印集成电子电路的界面粘附调控，是制备高性能打印柔性集成电子电路的关键技术。
而液态金属在空气中易于与空气中的氧生成氧化物，在液态金属表面形成一层氧化膜，其成分包括镓、铟和锡中的一种以上的氧化物，使液态金属的表面极易吸附空气中的水分子，形成一层水分子层，该水分子层对界面强度损害极大。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种液态金属与柔性基体界面粘附结构的设计方法。该方法能有效去除液态金属表面氧化膜的水分子层，同时，巧妙利用氰基丙烯酸酯类单体的聚合机理有效增强液态金属与柔性基体的界面强度。
本发明的目的通过如下技术方案实现。
一种液态金属与柔性基体界面粘附结构的设计方法，包括如下步骤：
干燥环境中，将氰基丙烯酸酯类单体均匀负载在柔性基体的表面上，接着将表面吸附有水分子的液态金属均匀负载在表面含有氰基丙烯酸酯类单体的柔性基体上，静置，完成液态金属与柔性基体界面粘附结构的设计。
进一步地，所述氰基丙烯酸酯类单体包括氰基丙烯酸甲酯、氰基丙烯酸乙酯或氰基丙烯酸丙酯。
进一步地，所述柔性基体包括天然橡胶、硅橡胶、聚氨酯、氢化SBS(聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯)热塑性弹性体、聚氯乙烯、聚乙烯醇、氟橡胶、聚酰亚胺、丙烯酸酯类弹性体和丁腈橡胶的任意一种。
进一步地，所述氰基丙烯酸酯类单体在柔性基体的表面上均匀负载的厚度为100nm～1mm。
进一步地，所述液态金属包括镓、铟和锡中的一种或两种以上的合金。
进一步地，所述均匀负载的方式均包括喷涂、涂抹、旋涂、平铺、溅射或喷射。
进一步地，所述静置是在5～120℃静置5～60min。
本发明的设计原理为：具有双键的氰基丙烯酸酯类单体具有强极性的酯键及氰基，易于与水分子发生聚合反应；因此，采用氰基丙烯酸酯类单体作为液态金属与柔性基体界面粘附结构的设计介质，当氰基丙烯酸酯类单体遇到液态金属表面的水分子时会发生聚合发应，同时去除界面水，并在液态金属与柔性基体之间形成一层强极性的界面增强层，使液态金属有效地粘附在柔性基体表面。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明设计方法有效解决了液态金属与柔性基板的界面粘接技术问题，有利于实现可打印柔性液态金属集成电路的大规模制备；
(2)本发明的设计方法简单易行，在制备可拉伸导体、柔性集成电路等领域具有重要的应用前景。
附图说明
图1为实施例2中氰基丙烯酸乙酯与液态金属表面的水分子反应的动态红外谱图。
具体实施方式
以下结合具体实施例及附图对本发明技术方案作进一步详细的描述，但本发明的保护范围及实施方式不限于此。
实施例1
柔性聚酰亚胺-液态金属电路的界面粘附结构设计，具体步骤如下：
在干燥箱中，在柔性聚酰亚胺薄膜表面喷涂10μm厚的氰基丙烯酸甲酯单体，然后将镓铟锡共熔合金(镓∶铟∶锡比例为3∶2∶1，g/g/g)溅射通过湿度为40％环境腔，使液态金属表面粘附一层水分子膜，最终溅射在含有氰基丙烯酸酯的柔性聚酰亚胺薄膜表面，柔性聚酰亚胺薄膜表面的氰基丙烯酸酯与液态金属就表面的水分子发生聚合；室温下静置30min，形成一层界面增强层，完成柔性聚酰亚胺-液态金属电路的界面粘附结构设计，形成柔性聚酰亚胺-液态金属电路。
制备的柔性聚酰亚胺-液态金属电路，采用10μm的氰基丙烯酸酯为界面粘附剂时，导体电导率为3.42×10-6Ω·m，其电导稳定性可从拉伸形变5％提高到80％，对制备高拉伸、高电导稳定的柔性导体具极大的提高，在柔性电子产品中具有重要的应用前景。
实施例2
柔性聚氯乙烯-液态金属导体的界面粘附结构设计，具体步骤如下：
在干燥箱中，将丙酮溶剂稀释的氰基丙烯酸乙酯平铺在柔性聚氯乙烯薄膜表面，厚度为10μm，接着将镓置于湿度50％的空气中20分钟后，喷射在平铺有氰基丙烯酸乙酯的聚氯乙烯膜表面，然后涂平，涂平的过程中使液态金属与平铺有氰基丙烯酸乙酯的聚氯乙烯膜表面充分接触，使氰基丙烯酸乙酯充分与液态金属表面的水分子反应；120℃下静置5min，形成强健的界面层，完成柔性聚氯乙烯-液态金属导体的界面粘附结构设计，形成柔性聚氯乙烯-液态金属电路。
制备的柔性聚氯乙烯-液态金属电路，工艺简单，适合工业推广，导体电导率3.42×10-6Ω·m，其电导稳定性可从拉伸形变5％提高到60％，其制备工艺在柔性电子产品中具有较强的优势。
实施例3
柔性硅橡胶-液态金属导体的界面粘附结构设计，具体步骤如下：
在干燥操作箱中，将氰基丙烯酸丙酯旋涂在柔性硅橡胶表面上，厚度为30μm，接着将镓铟合金(镓∶铟比例为4∶1，g/g)涂抹在含有氰基丙烯酸丙酯的硅橡胶表面，60℃下静置10min，完成柔性硅橡胶-液态金属导体的界面粘附结构设计，形成柔性的硅橡胶-液态金属可拉伸导体。
制备的柔性硅橡胶-液态金属导体，导体电导率3.42×10-6Ω·m，其电导稳定性可从拉伸形变5％提高到75％，在柔性电子产品中具有重要的应用前景。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种液态金属与柔性基体界面粘附结构的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
干燥环境中，将氰基丙烯酸酯类单体均匀负载在柔性基体的表面上，接着将表面吸附有水分子的液态金属均匀负载在表面含有氰基丙烯酸酯类单体的柔性基体上，静置，完成液态金属与柔性基体界面粘附结构的设计。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氰基丙烯酸酯类单体包括氰基丙烯酸甲酯、氰基丙烯酸乙酯或氰基丙烯酸丙酯。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述柔性基体包括天然橡胶、硅橡胶、聚氨酯、氢化SBS热塑性弹性体、聚氯乙烯、聚乙烯醇、氟橡胶、聚酰亚胺、丙烯酸酯类弹性体和丁腈橡胶的任意一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氰基丙烯酸酯类单体在柔性基体的表面上均匀负载的厚度为100nm~1mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液态金属包括镓、铟和锡中的一种或两种以上的合金。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述均匀负载的方式包括喷涂、涂抹、旋涂、平铺、溅射或喷射。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述静置是在5℃~120℃静置5min~60min。
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