CN110911813B

CN110911813B - 液态金属流道的改性方法、超材料及其制备方法

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Publication number: CN110911813B
Application number: CN201911121091.3A
Authority: CN
Inventors: 李平; 许诺; 臧金良; 王忠晶; 安灵椿; 张涵
Original assignee: Beijing Machinery Equipment Research Institute
Current assignee: Beijing Machinery Equipment Research Institute
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2022-08-23
Anticipated expiration: 2039-11-15
Also published as: CN110911813A

Abstract

本发明公开了一种液态金属流道的改性方法、超材料及其制备方法，该超材料包括基底结构和流道密封结构，所述基底结构和所述流道密封结构上设置有流道，所述流道密封结构和所述基底结构的流道表面设置有低表面能的膜结构，所述流道密封结构封装在所述基底结构上，通过所述流道密封结构与所述基底结构的流道封装形成供液态金属流动的微通道。本发明技术方案通过在基底结构与流道密封结构上形成低表面薄膜结构，实现基于液态金属流道结构的表面改性，实现液态金属在流道中的高延展性、大流动性、精确流控性。能够降低液态金属流道表面能、减小液态金属与流道间的界面张力，避免液态金属大表面张力、强粘附性对流动驱动的影响。

Description

液态金属流道的改性方法、超材料及其制备方法

技术领域

本发明属于电磁通信技术领域，尤其涉及一种基于液态金属流道的改性方法、液态金属流控的超材料及其制备方法。

背景技术

液态金属是一种不定型、在常温下可流动的导电金属，它综合了传统刚性和柔性材料的优良性能，目前主要有五种熔点接近或低于室温的金属：钫、铷、铯、汞和镓。其中，钫具有辐射性，铯和铷与空气接触后会剧烈反应，汞具有毒性且它表面张力大，不易对其进行图案化成型，这四种材料均不适合用于制备柔性电子器件，但镓及其合金适用于制备各种器件，主要得益于：1)熔点非常低，在室温下为液态；2)粘度低，便于注入微流道中；3)电导率较高，虽然比铜的电导率低，但是远远高于其他导电液体等；4)不易蒸发，性能稳定，操作时不会吸入气体分子；5)液态金属在注入前不用加热熔化，易于与有机材料兼容；并且在注入过程中始终保持液态，注入完成后无冷却过程，减少工艺耗时。

近年来，随着液态金属性能的不断开发，利用不同合金材料的配比能够实现不同粘度、熔点、导电性等性能特性，并且利用液态金属的大变形和流动性与微结构进行集成，实现在微流道结构中液态金属的填充注入与微流动，具有柔性化、低成本、可重构特点，成为一个极具发展前景的新兴技术，可以广泛应用于柔性电子、柔性传感、可重构天线、超材料等领域。

液态金属流动的流道结构通常为μm-mm级，并且，其流道结构通常基于玻璃、PMMA等硬基底以及PDMS、硅胶等柔性基底。为了实现液态金属在流道结构的分布形态，需要驱动控制液态金属在流道结构中的精确流控特性。然而，液态金属在空气中易氧化，在表面将形成一层0.5-3nm左右的氧化层，由于其表面粘稠状特征，改变了液态金属的表面性能，极大影响了流动特性。同时，液态金属的表面张力比水高一个数量级，不容易形成表面张力差实现流动控制，这使得液态金属的驱动控制难度增大，与当前的流体体系不完全相同。此外，液态金属的密度大，是水的6.5倍，惯性作用大，不容易驱动。现有液态金属的流道与液态金属接触界面张力较大，不利于液态金属在流道中的流动与控制。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种基于微纳加工工艺的液态金属流道的改性方法，旨在解决现有液态金属的流道中的液态金属流动性差以及难于控制等问题。本发明的目的之二在于提供一种基于改性方法而制备的改性液态金属流道。本发明的目的之三在于提供一种基于液态金属流控的超材料制备方法。本发明的目的之四在于提供一种基于液态金属流控的超材料。

为实现上述目的，本发明提供一种液态金属流道的改性方法，所述液态金属流道包括基底结构和流道密封结构，所述改性方法包括以下步骤：

1)将所述流道密封结构与所述基底结构分别固定于水平面上；

2)在所述流道密封结构与所述基底结构表面匀胶旋涂低表面能薄膜；

3)将旋涂所述低表面能薄膜的流道密封结构和基底结构在烘箱中固化成型。

进一步，所述改性方法还包括：

将固化后的流道密封结构封装在基底结构上。

本发明第二目的提供一种改性液态金属流道，其是通过上述改性方法所制备。

本发明第三目的提供一种基于液态金属流控的超材料制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

1)制备流道密封结构；

2)制备基底结构；

3)将所述流道密封结构与所述基底结构分别固定于水平面上；

4)在所述流道密封结构与所述基底结构表面匀胶旋涂低表面能薄膜；

5)将旋涂所述低表面能薄膜的流道密封结构和基底结构在烘箱中坚膜固化；

6)将固化后的流道密封结构封装在基底结构上。

进一步，所述将固化后的流道密封结构封装在基底结构上包括：

1)在流道密封结构与基底结构表面制备对准标记；

2)对流道密封结构与基底结构表面进行氧等离子体处理，改性表面活性；

3)依据对准标记，将流道密封结构与基底结构依次对准，并施加压力键合封装。

进一步，所述低表面能薄膜为Teflon或Cytop。

进一步，所述制备流道密封结构包括：

1)在硅基底或玻璃基底上沉积光刻胶；

2)利用掩膜板对光刻胶进行前烘、曝光、后烘、显影，在基底上形成光刻胶结构；

3)在基底表面浇注PDMS胶或硅胶，然后固化成型；

4)将成型的PDMS胶或硅胶从光刻胶结构上翻模，形成带有流道结构的流道密封结构。

进一步，所述制备流道密封结构包括：

1)利用金属基底加工出流道结构模具；

2)在流道结构模具表面浇注PDMS胶或硅胶，然后固化成型；

3)将成型的PDMS胶或硅胶从流道结构模具上翻模，形成带有流道结构的流道密封结构。

进一步，所述制备基底结构包括：

1)在硅基底或玻璃基底上沉积光刻胶；

2)利用不规则阵列结构的掩膜版，对光刻胶前烘、曝光、后烘、显影，最终在硅基底或玻璃基底上形成不规则光刻胶结构阵列；

3)在不规则光刻胶结构阵列表面浇注PDMS胶或硅胶，然后固化成型；

4)将成型的PDMS胶或硅胶从光刻胶结构阵列上翻模，形成带有不规则凹凸阵列的基底结构。

进一步，所述制备基底结构包括：

1)将硅基底或玻璃基底放置于培养皿中，在基底表面浇注PDMS胶或硅胶，然后固化成型；

2)采用纳米压印工艺，形成带有不规则凹凸阵列的基底结构。

本发明的第四目的提供一种液态金属流控的超材料，其是通过上述超材料制备方法所制备，所述超材料包括基底结构和流道密封结构，所述基底结构和所述流道密封结构上设置有流道，所述流道密封结构和所述基底结构的流道表面设置有低表面能的膜结构，所述流道密封结构封装在所述基底结构上，通过所述流道密封结构与所述基底结构的流道封装形成供液态金属流动的微通道。

本发明技术方案通过在基底结构与流道密封结构上形成低表面薄膜结构，实现基于液态金属流道结构的表面改性，实现液态金属在流道中的高延展性、大流动性、精确流控性。能够降低液态金属流道表面能、减小液态金属与流道间的界面张力，避免液态金属大表面张力、强粘附性对流动驱动的影响。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。

附图说明

图1为本发明液态金属流控的超材料的结构示意图；

图2为本发明液态金属流道的改性方法的流程示意图；

图3为本发明液态金属流控的超材料制备方法的流程示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的装置等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。

如图1所示，本发明的液态金属流控的超材料，包括流道密封结构1和基底结构2，基底结构2上设置有不规则凹凸阵列3形成的流道，流道密封结构1上设置有凹形的流道，流道密封结构1和基底结构2的流道表面均设置有低表面能薄膜结构4，流道密封结构1封装在所述基底结构2上，通过所述流道密封结构1与所述基底结构2的流道封装形成供液态金属流动的微通道5。通过外力驱动液态金属在微通道内流动可以调节金属微结构长度或宽度，从而改变超材料的物理属性。

本发明的基于液态金属流控的超材料通过在基底结构与流道密封结构上形成低表面薄膜结构，实现基于液态金属流道结构的表面改性，实现液态金属在流道中的高延展性、大流动性、精确流控性。能够降低液态金属流道表面能、减小液态金属与流道间的界面张力，避免液态金属大表面张力、强粘附性对流动驱动的影响，极大提升了超材料的应用性能。本实施例可以广泛应用于柔性电子、柔性传感、可重构天线等领域。

可选的，液态金属可以采用镓或者镓合金，例如镓铟合金、镓铟锡合金，在外力驱动作用下实现在微结构中流动，并形成超材料表层的金属微结构。通过液态镓或者镓合金的可任意流动性，将液态镓或者镓合金进行微流体化，能够实现超材料的微流动控制。将该技术应用于超材料结构参数和结构形态的重构中，所述超材料具有能对其物理性能进行调控的能力。

在空气环境中，液态金属容易与空气作用而在液态金属表面形成一层氧化层，该氧化层的厚度为3-5nm，加工时应进行去除。在微通道结构中注入液态金属之前，应对通道结构进行抽真空，得到干燥的真空操作环境；在干燥真空环境下，将液态金属注入到超材料表层微通道中。

超材料的物理属性包括介电常数、磁导率、折射率等中的至少一种。通过液态金属的微流控制，调节超材料的等效介电常数、磁导率或折射率，达到对超材料吸收、反射电磁波等特性的动态调控。

如图2所示，本发明还提供一种液态金属流道的改性方法，具体包括如下步骤：

步骤S21：将所述流道密封结构与所述基底结构分别固定于水平面上；

步骤S22：在所述流道密封结构与所述基底结构表面匀胶旋涂低表面能薄膜；其中，匀胶旋涂过程中转速均匀，保持流道结构表面不同部位涂胶厚度的均匀性，旋涂低表面能薄膜(Teflon、Cytop等)的厚度为几微米，例如1-10微米。

步骤S23：将旋涂所述低表面能薄膜的流道密封结构和基底结构在烘箱中固化成型。其中，烘箱温度可以为70-120℃左右，时间7-8分钟左右。

上述改性方法还包括以下步骤：

将固化后的流道密封结构封装在基底结构上。其中，该封装具体流程为：

在流道密封结构与基底结构表面制备对准标记；

对流道密封结构与基底结构表面进行氧等离子体处理，改性表面活性；

依据对准标记，将流道密封结构与基底结构依次对准，并施加压力键合封装。

通过上述工艺步骤与方法，完成了液态金属流动的改性，通过上述方法制备的液态金属流道，实现液态金属在流道中的高延展性、大流动性、精确流控性。能够降低液态金属流道表面能、减小液态金属与流道间的界面张力，避免液态金属大表面张力、强粘附性对流动驱动的影响。

如图3所示，本发明还提供一种基于液态金属流控的超材料制备方法，具体包括如下步骤：

步骤S31：制备流道密封结构；

步骤S32：制备基底结构；

步骤S33：将所述流道密封结构与所述基底结构分别固定于水平面上；

步骤S34：在所述流道密封结构与所述基底结构表面匀胶旋涂低表面能薄膜；

步骤S35：将旋涂所述低表面能薄膜的流道密封结构和基底结构在烘箱中坚膜固化；

步骤S36：将固化后的流道密封结构封装在基底结构上。

其中，根据流动密封机构的流道尺度可以采用以下两种工艺方法，对于流道宽度小于500微米的结构，流道密封结构制备工艺与步骤方法如下：

1)在硅基底或玻璃基底上，沉积SU8胶，SU8胶的厚度为流道的高度，SU8胶的间距为流道宽度；

2)利用掩膜版，对SU8胶前烘(去掉SU8胶中的溶剂)、曝光(图形化SU8胶)、后烘(消除驻波)、显影(去胶，SU8胶图形化)，最终在硅基底或玻璃基底上形成SU8胶结构；

3)PDMS或硅胶依据材料配比，混胶，去空气；

4)在基底表面浇注PDMS胶或硅胶，然后在烘箱中固化成型(烘箱温度70-110℃右，时间5-15分钟左右)；

5)将成型的PDMS或硅胶从SU8胶上翻模，则在PDMS或硅胶上形成流道结构。

对于尺度大于500微米的流动结构，流道密封结构制备工艺方法如下：

1)利用铝等材料为基底，加工出流道结构模具。

2)PDMS或硅胶依据材料配比，混胶；

3)在基底表面浇注PDMS胶或硅胶，然后在烘箱中固化成型(烘箱温度70-110℃左右，时间5-15分钟左右)；

4)将成型的PDMS或硅胶从流道结构模具上翻模，则在PDMS或硅胶上形成流道结构。

其中，基底结构表面的不规则凹凸微纳结构的流道，也可选择的采用以下两种方法制备，包括衬底选型、流道图形化、浇注、流道翻模。

第一种方法包括：

1)在硅基底或玻璃基底上，沉积SU8胶，SU8胶的厚度为几十微米至百微米；

2)利用不规则阵列结构的掩膜版，对SU8胶前烘(去掉SU8胶中的溶剂)、曝光(图形化SU8胶)、后烘(消除驻波)、显影(去胶，SU8胶图形化)，最终在硅基底或玻璃基底上形成不规则SU8胶结构阵列；

3)PDMS或硅胶依据材料配比，混胶，去空气；

4)在不规则SU8胶表面浇注PDMS胶或硅胶，然后在烘箱中成型(烘箱温度70-110℃左右，时间5-15分钟左右)；

5)将成型的PDMS或硅胶从SU8胶上翻模，在PDMS或硅胶上表面形成不规则凹凸结构。

第二种方法包括：

1)配比PDMS或硅胶，混胶，去空气；

2)将硅基底或玻璃基底放置于培养皿中，在基底表面浇注PDMS胶或硅胶，然后在烘箱中成型(烘箱温度70-110℃左右，时间5-15分钟左右)；

3)采用纳米压印工艺，在PDMS胶或硅胶表面制备不规则阵列微结构。

本发明超材料的制备方法中步骤S33-S36已经在改性方法实施例中做了详细说明，在此不再赘述。

本发明实现柔性流道结构表面改性，实现液态金属在流道中的高延展性、大流动性、精确流控性。该方法能够降低液态金属流道表面能、减小液态金属与流道间的界面张力，避免液态金属大表面张力、强粘附性对流动驱动的影响，可应用于应用于柔性电子、柔性传感、可重构天线、超材料等领域。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims

1.一种液态金属流道的改性方法，其特征在于，所述液态金属流道包括基底结构和流道密封结构，所述改性方法包括以下步骤：

2)在所述流道密封结构与所述基底结构表面匀胶旋涂低表面能薄膜，其中所述低表面能薄膜为Teflon或Cytop，所述低表面能薄膜旋涂厚度为1-10微米，所述低表面能薄膜用于降低液态金属与液态金属流道的接触表面能，以减小液态金属与流道间的界面张力；

3)将旋涂所述低表面能薄膜的流道密封结构和基底结构在烘箱中固化成型；其中，烘箱温度可以为70-120℃，时间7-8分钟。

2.如权利要求1所述的改性方法，其特征在于，所述改性方法还包括：

将固化后的流道密封结构封装在基底结构上。

3.一种改性液态金属流道，其特征在于，所述改性液态金属流道采用如权利要求1或2所述的改性方法所制备。

4.一种基于液态金属流控的超材料制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

1)制备流道密封结构；

2)制备基底结构；

4)在所述流道密封结构与所述基底结构表面匀胶旋涂低表面能薄膜，其中所述低表面能薄膜为Teflon或Cytop，所述低表面能薄膜旋涂厚度为1-10微米，所述低表面能薄膜用于降低液态金属与液态金属流道的接触表面能，以减小液态金属与流道间的界面张力；

5)将旋涂所述低表面能薄膜的流道密封结构和基底结构在烘箱中坚膜固化；其中，烘箱温度可以为70-120℃，时间7-8分钟；

6)将固化后的流道密封结构封装在基底结构上。

5.如权利要求4所述的超材料制备方法，其特征在于，所述将固化后的流道密封结构封装在基底结构上包括：

1)在流道密封结构与基底结构表面制备对准标记；

6.如权利要求4所述的超材料制备方法，其特征在于，所述制备流道密封结构包括：

1)在硅基底或玻璃基底上沉积光刻胶；

3)在基底表面浇注PDMS胶或硅胶，然后固化成型；

7.如权利要求4所述的超材料制备方法，其特征在于，所述制备流道密封结构包括：

1)利用金属基底加工出流道结构模具；

2)在流道结构模具表面浇注PDMS胶或硅胶，然后固化成型；

8.一种液态金属流控的超材料，其特征在于，所述超材料采用如权利要求4-7任一项所述的制备方法所制备，所述超材料包括基底结构和流道密封结构，所述基底结构和所述流道密封结构上设置有流道，所述流道密封结构和所述基底结构的流道表面设置有低表面能的膜结构，其中所述低表面能的膜结构用于降低液态金属与液态金属流道的接触表面能，以减小液态金属与流道间的界面张力，所述流道密封结构封装在所述基底结构上，通过所述流道密封结构与所述基底结构的流道封装形成供液态金属流动的微通道。