CN111415770A - 一种弹性导体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弹性导体及其制备方法。该弹性导体包括弹性基体与液态金属，弹性基体不导电，液态金属附着在弹性基体表面，并且在弹性基体外围呈连续的螺旋绕行状。本发明采用扭转成形工艺制备该弹性导体。该弹性导体进行拉伸形变时，电阻变化率较小，在柔性电子器件中具有潜在的应用价值。

Description

一种弹性导体及其制备方法

技术领域

本发明涉及柔性电子技术领域，尤其涉及一种弹性导体及其制备方法。

背景技术

可拉伸电子产品在日常生活中的应用越来越受到人们的关注。可拉伸传感器、可拉伸印制电路板、可拉伸电池、电子皮肤等的学术进展预示着可拉伸器件在健康监测、智能纺织品、可穿戴显示等领域具有广阔的市场前景。

目前，可拉伸导体主要基于复合材料，如银纳米线、金属纳米颗粒、碳纳米管、石墨烯等导电填料与非导电弹性聚合物的混合物，以及基于特殊的几何结构，如马蹄形电路、金属薄膜或预应变聚二甲基硅氧烷(PDMS)上的导电银纳米线薄膜、弹簧状导电纤维等。但是，由于非导电弹性聚合物的存在，基于复合材料的可拉伸导体一直面临着导电性差的问题。此外，在拉伸过程中，随着导电填料间距的增加，可拉伸导体的电阻率随形变(在100％应变时大于10倍)的增加而显著增加。相比而言，基于几何结构的可拉伸导体可由导电材料直接构成，例如纯金属、碳基导电材料等，因此具有更好的导电性(10^-6Ω·cm等级)；另外，这类可拉伸导体独特的几何结构保证了其高的拉伸性，在拉伸过程中导电部分的电阻性能变化较小，使其在形变下的电阻稳定性远高于基于复合材料的可拉伸导体。因此，与基于复合材料的可拉伸导体相比，基于几何结构的可拉伸导体具有较高的优势。

但是，如何制备基于几何结构的可拉伸导体却是一个技术难题。随着印刷电子技术的发展，通过3D打印、激光直接结构等方法在三维物体不规则表面制备电路虽然成为可能，但是在点对点工艺方面，3D打印和LDS工艺都面临着生产效率低下的问题。另外，在柔性材料上制备电路仍然存在技术瓶颈。

发明内容

本发明提供一种弹性导体，在拉伸形变下，其电阻变化较小。

本发明的技术方案为：一种弹性导体，包括弹性基体与液态金属；所述弹性基体不导电；所述的液态金属附着在弹性基体表面，并且在弹性基体外围呈连续的螺旋绕行状。

所述液态金属在室温下呈液态，具有导电性，包括但不限于汞、镓、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、镓铟合金、镓铟锡合金等。

所述的弹性基体具有可拉伸、扭转等形变能力，包括但不限于脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅胶、橡胶、树脂、水凝胶、聚氨酯、苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、PVC、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸类塑料(PET)、聚乙烯辛烯共弹性体(POE)、热塑性弹性体(TPE)等中的一种或者几种。

所述的液态金属与参考轴的夹角为α，所述参考轴平行于螺旋绕行的中轴线。

作为优选，30°≤α≤150°，作为进一步优选60°≤α≤120°，更优选为80°≤α≤100°。

与现有技术相比，本发明采用液态金属与弹性基体，具有如下优点：

(1)液态金属在弹性基体表面呈连续的螺旋绕行状而构成弹性导体，结合弹性基体具有良好的形变能力，当进行拉伸、扭转等形变时，弹性导体的导电性保持良好；

(2)在拉伸形变时，该弹性导体的电阻变化率较小，并且电阻变化率与夹角α有关，当夹角α接近90°时，电阻变化率达到最小，例如在拉伸应变200％条件下，夹角α接近90°时电阻变化率基本趋于0。

本发明还提供一种利用扭转成形工艺制备上述弹性导体的方法，包括如下步骤：

(1)将弹性基体沿一定方向A扭转N圈；

(2)将液态金属附着在经步骤(1)扭转后的弹性基体表面；然后将弹性基体进行反向扭转，即，反向扭转的扭转方向与方向A相反，使液态金属在弹性基体表面呈连续的螺旋绕行状。

作为一种实现方式，使用绕线机扭转弹性基体。

所述弹性基体在步骤(1)扭转之前的初始状态不限。

作为一种实现方式，在步骤(1)中，将弹性基体沿顺时针方向扭转N圈，在步骤(2)中将弹性基体沿逆时针方向扭转N圈；或者，在步骤(1)中，将弹性基体沿逆时针方向扭转N圈，在步骤(2)中将弹性基体沿顺时针方向扭转N圈。

在步骤(2)中，液态金属附着在弹性基体表面的方法不限，包括采用涂覆、沉积等方法。

作为优选，在步骤(2)中，液态金属附着在弹性基体表面，呈直线状，然后将弹性基体反向扭转。

在步骤(2)中，为了提高液态金属在弹性基体表面的粘附性，在液态金属中掺杂金属颗粒，混合均匀，得到掺杂金属颗粒的液态金属，将掺杂金属颗粒的液态金属附着在经步骤(1)扭转后的弹性基体表面。并且，通过调节掺杂的金属颗粒与液态金属的质量比，可调整掺杂后液态金属的粘度。作为进一步优选，将掺杂金属颗粒的液态金属进行抽真空，以防止氧化，获得可以长久放置、稳定的液态金属泥。

由于弹性基体与液态金属良好的形变能力，在步骤(1)和/或步骤(2)中的扭转过程中可以伴随着拉伸形变。

所述的金属颗粒不限，包括铜(Cu)、铁(Fe)、镍(Ni)、银(Ag)、铝(Al)等中的一种或者几种。

所述步骤(2)中，通过扭转圈数N调节所述夹角α的角度值，圈数越多夹角α越接近90°。

附图说明

图1是本发明实施例1中的弹性导体的结构示意图。

图2是本发明实施例1中掺杂铜粉的液态金属的制作过程示意图。

图3是本发明实施例1中的弹性导体的制作过程示意图。

图4是本发明实施例1-5中制得的弹性导体在拉伸应变200％下电阻变化率随拉伸形变的关系曲线。

其中的附图标记为：研钵1、钵杵2、液态金属3、铜粉4、绕线机5、弹性基体6、掺杂铜粉的液态金属7。

具体实施方式

下面结合实施例与附图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，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

本实施例中，弹性导体结构如图1所示，包括弹性基体6与液态金属7。弹性基体6是热塑性橡胶管(TPE)，液态金属7是掺杂铜粉的镓铟锡合金。液态金属7附着在弹性基体6表面，并且在弹性基体6外围呈连续的螺旋绕行状，液态金属与平行于螺旋绕行中轴线的参考线之间的夹角α为120°。

该弹性导体的制备过程如图2所示，包括如下步骤：

步骤1：如图2所示，将液态金属3与铜粉4放于研钵1中使用钵杵2研磨一个小时，液态金属与铜粉的质量比为9:1，得到掺杂铜粉的液态金属，将其放于真空泵抽真空，直到表面没有气孔，获得可以长久放置，稳定的掺杂铜粉的液态金属7。

步骤2：如图3中的a图所示，将长40mm，外径为1mm，内径为0.5mm的弹性体TPE橡胶管6固定在绕线机5上，此时TPE橡胶管6为初始态。

步骤3：绕线机顺时针旋转30圈，得到螺纹状TPE橡胶管，如图3中的b图所示；然后，在螺纹状TPE橡胶管上涂覆步骤1制得的掺杂铜粉的液态金属7，如图3中的c图所示，液态金属附着在弹性基体表面，呈直线状。

步骤4：将步骤3得到的表面附着掺杂铜粉的液态金属的螺纹状TPE橡胶管固定在绕线机5上，绕线机逆时针旋转30圈，如图2中的d图所示，得到液态金属在弹性基体外围呈连续的螺旋绕行状，并且液态金属与平行于螺旋绕行中轴线的参考轴的夹角为120°。

实施例2：

本实施例中，弹性导体结构与实施例1中的结构基本相同，所不同的是液态金属与平行于螺旋绕行中轴线的参考线之间的夹角α为110°。

该弹性导体的制备过程与实施例1的制备过程基本相同，所不同的是步骤3与步骤4如下：

步骤3：绕线机顺时针旋转60圈，得到螺纹状TPE橡胶管；在螺纹状TPE橡胶管上涂覆步骤1制得的掺杂铜粉的液态金属，液态金属附着在弹性基体表面，呈直线状。

步骤4：将步骤3得到的表面附着掺杂铜粉的液态金属的螺纹状TPE橡胶管固定在绕线机5上，绕线机逆时针旋转60圈，得到液态金属在弹性基体外围呈连续的螺旋绕行状，并且液态金属与平行于螺旋绕行中轴线的参考轴的夹角为110°。

实施例3：

本实施例中，弹性导体结构与实施例1中的结构基本相同，所不同的是液态金属与平行于螺旋绕行中轴线的参考线之间的夹角α为100°。

该弹性导体的制备过程与实施例1的制备过程基本相同，所不同的是步骤3与步骤4如下：

步骤3：绕线机顺时针旋转90圈，得到螺纹状TPE橡胶管；在螺纹状TPE橡胶管上涂覆步骤1制得的掺杂铜粉的液态金属，液态金属附着在弹性基体表面，呈直线状。

步骤4：将步骤3得到的表面附着掺杂铜粉的液态金属的螺纹状TPE橡胶管固定在绕线机5上，绕线机逆时针旋转90圈，得到液态金属在弹性基体外围呈连续的螺旋绕行状，并且液态金属与平行于螺旋绕行中轴线的参考轴的夹角为100°。

实施例4：

本实施例中，弹性导体结构与实施例1中的结构基本相同，所不同的是液态金属与平行于螺旋绕行中轴线的参考线之间的夹角α为95°。

该弹性导体的制备过程与实施例1的制备过程基本相同，所不同的是步骤3与步骤4如下：

步骤3：绕线机顺时针旋转120圈，得到螺纹状TPE橡胶管；在螺纹状TPE橡胶管上涂覆步骤1制得的掺杂铜粉的液态金属，液态金属附着在弹性基体表面，呈直线状。

步骤4：将步骤3得到的表面附着掺杂铜粉的液态金属的螺纹状TPE橡胶管固定在绕线机5上，绕线机逆时针旋转120圈，得到液态金属在弹性基体外围呈连续的螺旋绕行状，并且液态金属与平行于螺旋绕行中轴线的参考轴的夹角为95°。

实施例5：

本实施例中，弹性导体结构与实施例1中的结构基本相同，所不同的是液态金属与平行于螺旋绕行中轴线的参考线之间的夹角α为92°。

该弹性导体的制备过程与实施例1的制备过程基本相同，所不同的是步骤3与步骤4如下：

步骤3：绕线机顺时针旋转150圈，得到螺纹状TPE橡胶管；在螺纹状TPE橡胶管上涂覆步骤1制得的掺杂铜粉的液态金属，液态金属附着在弹性基体表面，呈直线状。

步骤4：将步骤3得到的表面附着掺杂铜粉的液态金属的螺纹状TPE橡胶管固定在绕线机5上，绕线机逆时针旋转150圈，得到液态金属在弹性基体外围呈连续的螺旋绕行状，并且液态金属与平行于螺旋绕行中轴线的参考轴的夹角为92°。

上述实施例1-5制得的弹性导体具有良好的形变性能，在拉伸、扭转等形变时，弹性导体的导电性保持良好。图4是该弹性导体在拉伸应变200％下的电阻变化率ΔR/R随拉伸形变的关系曲线。从图4可以看出，弹性基体的扭转圈数不同，液态金属与螺旋绕行中轴线的夹角不同，扭转圈数越大，夹角越接近92°，电阻变化率越小，当夹角为92°时电阻变化率基本趋于不变。

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 (11)

1.一种弹性导体，包括弹性基体与液态金属；其特征是：所述弹性基体不导电；所述的液态金属附着在弹性基体表面，并且在弹性基体外围呈连续的螺旋绕行状。

2.如权利要求1所述的弹性导体，其特征是：所述液态金属包括汞、镓、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、镓铟合金、镓铟锡合金。

3.如权利要求1所述的弹性导体，其特征是：所述的弹性基体包括脂肪族芳香族无规共聚酯、聚二甲基硅氧烷、硅胶、橡胶、树脂、水凝胶、聚氨酯、苯乙烯嵌段共聚物、PVC、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸类塑料、聚乙烯辛烯共弹性体、热塑性弹性体中的一种或者几种。

4.如权利要求1所述的弹性导体，其特征是：所述的液态金属与参考轴的夹角为α，所述参考轴平行于螺旋绕行的中轴线，30°≤α≤150°；

作为优选，60°≤α≤120°；

作为优选，80°≤α≤100°。

5.如权利要求1至4中任一权利要求所述的弹性导体的制备方法，其特征是：包括如下步骤：

(1)将弹性基体沿一定方向A扭转N圈；

(2)将液态金属附着在经步骤(1)扭转后的弹性基体表面；然后将弹性基体进行反向扭转，即，反向扭转的扭转方向与方向A相反，使液态金属在弹性基体表面呈连续的螺旋绕行状。

6.如权利要求5所述的弹性导体的制备方法，其特征是：使用绕线机扭转弹性基体。

7.如权利要求5所述的弹性导体的制备方法，其特征是：在步骤(1)中，将弹性基体沿顺时针方向扭转N圈，在步骤(2)中将弹性基体沿逆时针方向扭转N圈；或者，在步骤(1)中，将弹性基体沿逆时针方向扭转N圈，在步骤(2)中将弹性基体沿顺时针方向扭转N圈。

8.如权利要求5所述的弹性导体的制备方法，其特征是：在步骤(2)中，液态金属附着在弹性基体表面的方法包括涂覆法、沉积法；

作为优选，在步骤(2)中，液态金属附着在弹性基体表面呈直线状，然后将弹性基体反向扭转。

9.如权利要求5所述的弹性导体的制备方法，其特征是：在步骤(2)中，所述液态金属中掺杂金属颗粒；

作为优选，将掺杂金属颗粒的液态金属抽真空。

10.如权利要求10所述的弹性导体的制备方法，其特征是：所述的金属颗粒包括铜、铁、镍、银、铝中的一种或者几种。

11.如权利要求5所述的弹性导体的制备方法，其特征是：所述步骤(2)中，通过扭转圈数N调节夹角α的角度值。

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