CN111768900B - 一种Al@Al2O3可编织柔性导线及其制备方法和应用 - Google Patents

一种Al@Al2O3可编织柔性导线及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Al@Al2O3可编织柔性导线及其制备方法和应用，属于金属/陶瓷复合材料技术领域，包括Al导电芯和包覆在所述Al导电芯外部的Al2O3绝缘壳；其中，所述Al2O3绝缘壳是通过微弧氧化方法将Al线原料的表层快速原位氧化制得；所述Al@Al2O3可编织柔性导线的外径为100‑200μm；本发明以直径为100‑200μm的Al线为原材料，采用微弧氧化方法将Al线表层快速转化成Al2O3绝缘陶瓷，制备出具有同轴结构的Al@Al2O3柔性导线，方便与纱线混合编织，可为智能穿戴编织物提供一种新型金属/陶瓷复合导线。

Description

一种Al@Al2O3可编织柔性导线及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于金属/陶瓷复合材料技术领域，具体涉及一种Al@Al2O3可编织柔性导线及其制备方法和应用。
背景技术
智能穿戴设备是应用穿戴式技术对日常穿戴进行智能化设计、开发出可以穿戴的设备的总称，如手表、手环、眼镜、服饰等。近年来，智能穿戴设备发展迅猛，已成为热点行业。其中，智能编织物或智能服饰在运动健身、医疗保健等领域极具吸引力。例如，其在健康监测等方面的应用，对提高人类生活品质，促进生活方式智能化意义重大。
将导线与纱线混合编织是制造智能编织物的有效方法之一。铝金属导线具有优异的导电性、导热性及柔韧性，易通过弯折、缠绕获得各种造型，因而适于编织；此外铝导线质量轻，是用于智能穿戴编织物的优选导线。但是，目前常见的铝导线无法满足智能穿戴编织物对导线严格的微型化要求，且其绝缘包覆多采用高分子材料，致使其在热稳定、抗老化、阻燃等方面的可靠性降低。氧化铝是绝缘性能优异的陶瓷材料，同时消除了高分子材料的老化、易燃等问题，但是目前仍无法在直径100-200μm的铝线表面制备结合牢固的氧化铝绝缘层。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种Al@Al2O3可编织柔性导线及其制备方法和应用，以直径100-200μm的Al线为原料，采用微弧氧化方法将Al 线表层快速原位氧化成Al2O3绝缘壳，可满足智能穿戴编织物对导线的微型化要求，且Al2O3绝缘壳与Al芯结合牢固，可与纱线混合编织，为智能穿戴编织物提供一种新型、可靠的混合编织用柔性导线。
本发明的第一个目的是提供一种Al@Al2O3可编织柔性导线，包括Al导电芯和包覆在所述Al导电芯外部的Al2O3绝缘壳；
其中，所述Al2O3绝缘壳是通过微弧氧化方法将Al线原料的表层快速原位氧化制得；
所述Al@Al2O3可编织柔性导线的外径为100-200μm。
优选地，所述Al导电芯的直径为90-180μm，Al2O3绝缘壳的厚度为5-10 μm。
优选地，所述Al@Al2O3可编织柔性导线的击穿电压为430-520V。
优选地，所述Al@Al2O3可编织柔性导线的抗拉强度为180-220MPa。
本发明的第二个目的是提供上述Al@Al2O3可编织柔性导线的制备方法，包括以下步骤：
S1、Al线的前处理
以直径为100-200μm的Al线为原料，对Al线上结节不平整部位进行平滑处理，保持Al线连续与完整，之后对Al线表面进行清洁处理；
S2、Al线的微弧氧化处理
将S1前处理的Al线置于磷酸盐与硅酸盐混合电解液中，采用恒定电压模式，在外加电压300-450V、频率400-700Hz、占空比8-12％条件下，对Al线进行微弧氧化3-5min，将Al线表层转化为Al2O3绝缘壳，对微弧氧化后的Al 线进行清洗、干燥，得到Al@Al2O3可编织柔性导线。
优选地，可将单根或者多根Al线绕置于绝缘网格支撑架，保持Al线之间不接触，并将每根Al线端部与电源阳极连接后置于磷酸盐与硅酸盐混合电解液中，进行微弧氧化处理；所述多根Al线的直径可以相同也可以不同，长度可以相同也可以不同。
优选地，可将整盘Al线置于送丝机构，确保Al线无结节，在送丝速度40-50 cm/min条件下，将Al线依次通过前处理清洁槽、微弧氧化电解槽、后处理清洗槽及干燥装置，实现超长Al@Al2O3柔性导线的连续制备。
优选地，S2中，电解液是指由8-15g/L硅酸钠和5-10g/L六偏磷酸钠构成的混合水溶液。
优选地，S2中，微弧氧化过程中电解液温度低于40℃。
本发明的第三个目的是提供上述Al@Al2O3可编织柔性导线在导电编织物方面的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明以直径100-200μm的Al线为原料，采用微弧氧化方法将Al 线表层快速原位氧化成Al2O3绝缘壳，绝缘壳厚度仅5-10μm，且因陶瓷壳主要向内生长的特性，对线材尺寸几乎无影响，可实现导线的净尺寸制备，因此制得的Al@Al2O3柔性导线可满足智能穿戴编织物对导线的微型化要求；
(2)本发明采用微弧氧化方法将Al线表层快速原位氧化成Al2O3绝缘壳，即使在导线处于弯曲或编织状态时，Al2O3绝缘壳也能与Al芯牢固结合，且制得的Al@Al2O3柔性导线击穿电压和抗拉强度分别为430-520V和180-220 MPa，因此适合与纱线混合编织从而制备智能编织物；
(3)本发明采用微弧氧化方法成功在Al线表层制备结合牢固的Al2O3绝缘层，消除了常用高分子绝缘皮的老化、易燃等问题，为智能穿戴编织物提供一种新型、可靠的金属/陶瓷复合导线；
(4)本发明微弧氧化过程需时3-5min，处理时间短；此外，可同时装夹不同直径、不同长度的Al线，实现了不同规格柔性导线的同时制备；采用送丝机构，还可实现超长导线的连续制备；因此，本发明为可编织柔性导线提供了一种快速、高效、经济的制备方法，极具应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1制备的外径100μm的Al@Al2O3柔性导线表面微观形貌的SEM像；
图2为本发明实施例1制备的外径100μm的Al@Al2O3柔性导线截面微观形貌的SEM像；其中，1为环氧树脂镶样胶，2为Al导电芯，3为Al2O3绝缘壳；
图3为本发明实施例1制备的外径100μm的Al@Al2O3柔性导线在绕制状态下的电路组装测试；其中，4为绕制态的Al@Al2O3柔性导线，5为电路连接线，6为发亮的二极管，7为电源；
图4为本发明实施例1制备的外径100μm的Al@Al2O3柔性导线与纱线混合编织后在拉伸与收缩过程中的电路组装测试；其中，8为Al@Al2O3柔性导线与纱线的混合编织物，9为电路连接线，10为发亮的二极管，11为电源；
图5为本发明实施例2制备的外径200μm的Al@Al2O3柔性导线表面微观形貌的SEM像；
图6为本发明实施例2制备的外径200μm的Al@Al2O3柔性导线截面微观形貌的SEM像；其中，12为环氧树脂镶样胶，13为Al导电芯，14为Al2O3绝缘壳；
图7为本发明实施例2制备的外径200μm的Al@Al2O3柔性导线在绕制状态下的电路组装测试；其中，15为绕制态的Al@Al2O3柔性导线，16为电路连接线，17为发亮的二极管，18为电源；
图8为本发明实施例2制备的外径200μm的Al@Al2O3柔性导线与纱线混合编织后在拉伸与收缩过程中的电路组装测试；其中，19为Al@Al2O3柔性导线与纱线的混合编织物，20为电路连接线，21为发亮的二极管。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
下述实施例中所述的实验方法和检测方法，如没有特殊说明，均为常规方法；所述的试剂和原料，如没有特殊说明，均可在市场购买得到。
实施例1
本发明实施例1提供一种外径为100μm的Al@Al2O3可编织柔性导线及其制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1、Al线的前处理及装夹
采用单根外径100μm的Al线作为原材料，首先对Al线进行结节及连续性表观检查，对结节部位进行平滑处理，保持Al线连续与完整；然后，对Al 线进行表面清洁处理；其后，将整根Al线绕置于绝缘网格支撑架，确保Al线不同部位之间无接触；最后，将Al线端部与电源阳极连接后置于电解液中，确保阳极连接稳固，对连接部位进行绝缘包覆处理。
步骤2、Al线的微弧氧化处理
采用恒定电压模式，在电压300V、频率400Hz、占空比12％的电参数条件下微弧氧化处理5min，将Al线表层转化为Al2O3陶瓷绝缘层；微弧氧化电解液采用含有8g/L硅酸钠、10g/L六偏磷酸钠的水溶液，处理过程中电解液温度低于40℃；将微弧氧化后的线材样品进行清洗、干燥，得到Al@Al2O3可编织柔性导线。
此方法制备出的Al@Al2O3柔性导线如图1所示，线材表面转变为微观多孔结构的Al2O3陶瓷，孔径数微米，导线外径100μm左右；如图2所示，制备出的柔性导线具有同轴结构，Al导电芯的直径90μm左右，Al2O3绝缘壳的厚度5μm左右，Al导电芯与Al2O3绝缘壳界面结合良好，需要注意的是，虽然以直径100μm的Al线作为原材料，但由于采用微弧氧化方法，其能够将 Al线表层快速原位转化成Al2O3绝缘壳，因陶瓷壳主要向内生长的特性，对线材尺寸几乎无影响，使得制备出的Al@Al2O3导线的外径仍为100μm左右，实现了导线的净尺寸制备；如图3所示，对绕制状态下的Al@Al2O3柔性导线进行电路组装测试，在电路接通状态下，二极管可稳定发光，表明其良好的导电性能；如图4所示，将Al@Al2O3柔性导线与纱线混合编织，电路接通后在伸展和收缩状态下二极管均可稳定发光，表明其在混合编织物中能够可靠导电；采用耐压仪，在升压速率25V/s、最大漏电流1mA及加载0.5N的测试条件下，Al@Al2O3柔性导线的击穿电压可达430V，表明Al2O3壳绝缘性能优良；在加载速率为2mm/min的测试条件下，Al@Al2O3柔性导线的抗拉强度可达 220MPa。
实施例2
本发明实施例2提供一种外径为200μm的Al@Al2O3可编织柔性导线及其制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1、Al线的前处理及装夹
采用单根直径200μm的Al线作为原材料，首先对Al线进行结节及连续性,表观检查，对结节部位进行平滑处理，保持Al线连续与完整；然后，对Al 线进行表面清洁处理；其后，将整根Al线绕置于绝缘网格支撑架，确保Al线不同部位之间无接触；最后，将Al线端部与电源阳极连接后置于电解液中，确保阳极连接稳固，对连接部位进行绝缘包覆处理。
步骤2、Al线的微弧氧化处理
采用恒定电压模式，在电压450V、频率700Hz、占空比8％的电参数条件下微弧氧化处理4min，将Al线表层转化为Al2O3陶瓷绝缘层；微弧氧化电解液采用含有15g/L硅酸钠、5g/L六偏磷酸钠的水溶液，处理过程中电解液温度低于40℃；将微弧氧化后的线材样品进行清洗、干燥，得到Al@Al2O3可编织柔性导线。
此方法制备出的Al@Al2O3柔性导线如图5所示，线材表面转变为微观多孔结构的Al2O3陶瓷，孔径约数微米，导线外径200μm；如图6所示，制备出的柔性导线具有同轴结构，Al导电芯的直径180μm，Al2O3绝缘壳的厚度10 μm，Al导电芯与Al2O3绝缘壳界面结合良好(制备前后外径变化的原因同实施例1)；如图7所示，对绕制状态下的Al@Al2O3柔性导线进行电路组装测试，在电路接通状态下，二极管可稳定发光，表明其良好的导电性能；如图8 所示，将Al@Al2O3柔性导线与纱线混合编织，电路接通后在伸展和收缩状态下二极管均可稳定发光，表明其在混合编织物中能够可靠导电；采用耐压仪，在升压速率25V/s、最大漏电流1mA及加载0.5N的测试条件下，Al@Al2O3柔性导线的击穿电压可达520V，表明Al2O3壳绝缘性能优良；在加载速率2 mm/min的测试条件下，Al@Al2O3柔性导线的抗拉强度可达180MPa。
实施例3
本发明实施例3提供一种外径为150μm、长度5m的Al@Al2O3可编织柔性导线及其制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1、Al线的前处理及装夹
采用数根直径150μm、长度5.1m(预留0.1m装夹余量)的Al线作为原材料，首先对Al线进行结节及连续性表观检查，对结节部位进行平滑处理，保持Al线连续与完整；然后，对Al线进行表面清洁处理；其后，将数根Al 线同时绕置于绝缘网格支撑架，确保不同铝线之间以及同根Al线不同部位之间无接触；最后，将每根Al线端部与电源阳极连接后置于电解液中，确保阳极连接稳固，对连接部位进行绝缘包覆处理。
步骤2、Al线的微弧氧化处理
采用恒定电压模式，在电压400V、频率500Hz、占空比10％的电参数条件下微弧氧化处理3min，将Al线表层转化为Al2O3陶瓷绝缘层；微弧氧化电解液采用含有10g/L硅酸钠、8g/L六偏磷酸钠的水溶液，处理过程中电解液温度低于40℃；将微弧氧化后的线材样品进行清洗、干燥，得到Al@Al2O3可编织柔性导线。
此方法制备出的Al@Al2O3可编织柔性导线外径150μm，导电性能良好，混合编织性能优异；采用耐压仪，在升压速率25V/s、最大漏电流1mA及加载0.5N测试条件下，Al@Al2O3柔性导线的击穿电压480V；在加载速率2 mm/min的测试条件下，Al@Al2O3柔性导线的抗拉强度200MPa。
实施例4
本发明实施例4同时提供外径分别为100μm与150μm的Al@Al2O3可编织柔性导线及其制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1、Al线的前处理及装夹
采用单根直径100μm、长度5m和单根直径150μm、长度10m的Al线各一根作为原材料，首先对Al线进行结节及连续性表观检查，对结节部位进行平滑处理，保持Al线连续与完整；然后，对Al线进行表面清洁处理；其后，将两根Al线同时绕置于绝缘网格支撑架，确保两根铝线之间以及同根Al线不同部位之间无接触；最后，将每根Al线端部与电源阳极连接后置于电解液中，确保阳极连接稳固，对连接部位进行绝缘包覆处理。
步骤2、Al线的微弧氧化处理
采用恒定电压模式，在电压360V、频率600Hz、占空比9％的电参数条件下微弧氧化处理5min，将Al线表层转化为Al2O3陶瓷绝缘层；微弧氧化电解液采用含有15g/L硅酸钠、10g/L六偏磷酸钠的水溶液，处理过程中电解液温度低于40℃；将微弧氧化后的线材样品进行清洗、干燥，得到Al@Al2O3可编织柔性导线。
此方法制备出的Al@Al2O3可编织柔性导线外径分别为100μm左右和150 μm，导电性能良好，混合编织性能优异；采用耐压仪，在升压速率25V/s、最大漏电流1mA及加载0.5N测试条件下，Al@Al2O3柔性导线的击穿电压可达 495V；在加载速率2mm/min的测试条件下，Al@Al2O3柔性导线的抗拉强度为201±13MPa。
实施例5
本发明实施例5提供一种外径200μm、超长Al@Al2O3可编织柔性导线及其制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1、Al线的前处理及装夹
采用整盘直径200μm的Al线作为原材料。将Al线置于送丝机构，保持 Al线处于预紧拉伸状态，同时确保Al线无结节等缺陷；与Al线接触的送丝机构各部件表面均做绝缘处理；对Al线进、出微弧氧化电解液的部位进行柔性封闭处理。
步骤2、Al线的微弧氧化处理
在送丝速度40-50cm/min条件下，将Al线依次通过前处理清洗槽、微弧氧化电解槽、后处理清洗槽及烘干装置；在电压400V、频率600Hz、占空比 8％的电参数条件下微弧氧化处理5min，至整盘Al线处理完毕，将Al线表层转化为Al2O3陶瓷绝缘层，得到Al@Al2O3可编织柔性导线；微弧氧化电解液采用含有8g/L硅酸钠、5g/L六偏磷酸钠的水溶液，处理过程中电解液温度低于40℃。
此连续方法可获得整盘、超长Al@Al2O3可编织柔性导线，导线直径200 μm，导电性能良好，能够为大面积编织物提供连续导线。
综上所述，本发明获得了一种外径100-200μm的同轴结构Al@Al2O3柔性导线，击穿电压和抗拉强度分别为430-520V和180-220MPa，易与纱线混合编织，可满足智能穿戴编织物对导线的微型化要求；借助微弧氧化处理，Al2O3绝缘壳在导线弯曲与编织时与Al芯结合牢固；同时，Al2O3绝缘壳消除了常用高分子绝缘皮的老化、易燃等问题，从而为智能穿戴编织物提供一种新型、可靠的金属/陶瓷复合导线；Al@Al2O3柔性导线以直径100-200μm的Al线为原材料，采用微弧氧化方法将Al线表层快速原位转化成Al2O3绝缘陶瓷，陶瓷壳厚度仅5-10μm，且因陶瓷壳主要向内生长的特性，对线材尺寸几乎无影响，可实现导线的净尺寸制备；微弧氧化过程需时3-5min，处理时间短；此外，可同时装夹不同直径、不同长度的Al线，实现了不同规格柔性导线的同时制备；采用送丝机构，还可实现超长导线的连续制备；因此，本发明为可编织柔性导线提供了一种快速、高效、经济的制备方法，极具应用前景。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种Al@Al2O3可编织柔性导线，其特征在于，包括Al导电芯和包覆在所述Al导电芯外部的Al2O3绝缘壳；
其中，所述Al2O3绝缘壳是通过微弧氧化方法将Al线原料的表层快速原位氧化制得；
所述Al@Al2O3可编织柔性导线的外径为100-200μm；
所述Al导电芯的直径为90-180μm，Al2O3绝缘壳的厚度为5-10μm；
所述Al@Al2O3可编织柔性导线的击穿电压为430-520V；
所述Al@Al2O3可编织柔性导线的抗拉强度为180-220MPa。
2.根据权利要求1所述的Al@Al2O3可编织柔性导线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、Al线的前处理
以直径为100-200μm的Al线为原料，对Al线上结节不平整部位进行平滑处理，保持Al线连续与完整，之后对Al线表面进行清洁处理；
S2、Al线的微弧氧化处理
将S1前处理的Al线置于磷酸盐与硅酸盐混合电解液中，采用恒定电压模式，在外加电压300-450V、频率400-700Hz、占空比8-12％条件下，对Al线进行微弧氧化3-5min，将Al线表层转化为Al2O3绝缘壳，对微弧氧化后的Al线进行清洗、干燥，得到Al@Al2O3可编织柔性导线。
3.根据权利要求2所述的Al@Al2O3可编织柔性导线的制备方法，其特征在于，将单根或者多根Al线绕置于绝缘网格支撑架，保持Al线之间不接触，并将每根Al线端部与电源阳极连接后置于磷酸盐与硅酸盐混合电解液中，进行微弧氧化处理；所述多根Al线的直径相同或不同，长度相同或不同。
4.根据权利要求2所述的Al@Al2O3可编织柔性导线的制备方法，其特征在于，将整盘Al线置于送丝机构，确保Al线无结节，在送丝速度40-50cm/min条件下，将Al线依次通过前处理清洁槽、微弧氧化电解槽、后处理清洗槽及干燥装置，实现超长Al@Al2O3柔性导线的连续制备。
5.根据权利要求2所述的Al@Al2O3可编织柔性导线的制备方法，其特征在于，S2中，电解液是指由8-15g/L硅酸钠和5-10g/L六偏磷酸钠构成的混合水溶液。
6.根据权利要求5所述的Al@Al2O3可编织柔性导线的制备方法，其特征在于，S2中，微弧氧化过程中电解液温度低于40℃。
7.根据权利要求1所述的Al@Al2O3可编织柔性导线在导电编织物方面的应用。
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