CN113658741B - 连接结构体及其制备方法和柔性器件 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及柔性材料技术领域，尤其涉及一种连接结构体及其制备方法和柔性器件。本申请的连接结构体包括：基底；功能层，功能层由柔性材料组成、且位于基底上；金属丝，金属丝的一末端设成几何图形埋于功能层中，且金属丝设成的几何图形与基底之间设有隔离区域，隔离区域为空心区域或由弹性材料组成。本申请的连接结构体很好地解决了刚性材料与柔性材料连接可靠性的难题，在各种功能柔性器件中具有很好的应用前景。

Description

连接结构体及其制备方法和柔性器件
技术领域
本申请属于柔性材料技术领域，尤其涉及一种连接结构体及其制备方法和柔性器件。
背景技术
在可穿戴电子设备、电子皮肤、可植入式生物医疗器械等人工智能领域，研究柔性的可拉伸的导电材料十分重要。现有柔性可拉伸的器件结构中，一般是把具有一定功能的可拉伸的柔性材料组成的功能层与基底结合在一起，然后金属丝与功能层的局部区域连接起来。当外界的机械拉伸力施加在基底上，基底的变形会使得功能层也承受应变，功能层的柔性材料本身的信号变化通过刚性的传统电缆如金属丝来传输到信号处理器。这样的连接部位中，金属丝和功能层的接触方式需要保持比较稳定的状态，才能避免出现接触电阻的大幅变化甚至金属丝脱落的现象。
然而，在机械拉伸变形过程中，由于柔性材料的弹性模量远低于金属丝，二者在连接部位的变形量是不同的，这就造成了金属丝与柔性材料的相对位移，从而造成接触部位不稳定、连接可靠性低。
发明内容
本申请的目的在于提供一种连接结构体及其制备方法和柔性器件，旨在解决如何提高金属丝与柔性材料的连接稳定性的技术问题。
为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：
第一方面，本申请提供一种连接结构体，包括：
基底；
功能层，所述功能层由柔性材料组成、且位于所述基底上；
金属丝，所述金属丝的一末端设成几何图形埋于所述功能层中，且所述金属丝设成的所述几何图形与所述基底之间设有隔离区域，所述隔离区域为空心区域或由弹性材料组成。
本申请提供一种连接结构体，金属丝与功能层的连接部位与基底之间设置有隔离区域，这样可以不再直接受到基底的约束，连接部位只承受由功能层传递来的极小的应变，从而保证了接触方式的稳定性；另外，金属丝的一末端是设成几何图形埋于功能层中，这样增大二者的接触面积，可以防止脱落，进一步提高连接稳定性。因此，本申请的连接结构体很好地解决了刚性材料与柔性材料连接可靠性的难题，在各种功能柔性器件中具有很好的应用前景。
第二方面，本申请提供一种连接结构体的制备方法，包括如下步骤：
在基底上形成第一柔性材料组成的初始功能层，且所述初始功能层相邻侧预设隔离区域设有隔离材料，所述隔离材料为弹性材料；
在所述隔离材料上覆盖第二柔性材料；
将金属丝的一末端设成几何图形置于所述第二柔性材料上，然后在所述第二柔性材料上覆盖第三柔性材料；
其中，所述第一柔性材料、所述第二柔性材料和所述第三柔性材料组成功能层。
本申请的连接结构体的制备方法，将金属丝的一末端设成几何图形埋于功能层中，同时，制备的过程中，在金属丝与功能层连接位置的下方预设有隔离区域，这样金属丝末端的连接部位可以不再直接受到基底的约束，只承受由功能层传递来的极小的应变，从而保证了接触方式的稳定性；将制备方法提高了刚性材料与柔性材料的连接可靠性，在柔性器件制备工艺中具有很好的应用前景。
第三方面，本申请提供一种柔性器件，所述柔性器件具有本申请所述的连接结构体和/或本申请所述的制备方法制备得到的连接结构体。
本申请的柔性器件具有本申请特有的连接结构体，因该连接结构体具有稳定性好的特点，因此使得该柔性器件的功能层材料和金属丝之间的信号传输稳定、可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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申请的一些实施例，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是本申请实施例提供的连接结构体的示意图；
图2是本申请实施例提供的连接结构体中金属丝末端的各种几何图形示意图；
图3是本申请实施例提供的连接结构体的制备方法流程示意图；
图4是本申请实施例1提供的连接结构体、基底、功能层结构示意图；
图5是本申请实施例1提供的凹陷式模板示意图；
图6是本申请实施例1提供的连接结构体ANSYS仿真应变分布云图；
图7是本申请实施例2提供的连接结构体ANSYS仿真应变分布云图；
图8是本申请实施例3提供的连接结构体ANSYS仿真应变分布云图；
图9是本申请实施例4提供的连接结构体ANSYS仿真应变分布云图；
图10是本申请对比例1提供的连接结构体的示意图；
图11是本申请对比例1提供的连接结构体ANSYS仿真应变分布云图。
具体实施方式
为了使本申请要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本申请中，“至少一种”是指一种或者多种，“多种”是指两种或两种以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。
应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，部分或全部步骤可以并行执行或先后执行，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本申请实施例说明书中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间重量的比例关系，因此，只要是按照本申请实施例说明书相关组分的含量按比例放大或缩小均在本申请实施例说明书公开的范围之内。具体地，本申请实施例说明书中所述的质量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。
术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，用来将目的如物质彼此区分开，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。例如，在不脱离本申请实施例范围的情况下，第一XX也可以被称为第二XX，类似地，第二XX也可以被称为第一XX。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
本申请实施例第一方面提供一种连接结构体，其结构如图1所示，该连接结构体包括：
基底；
功能层，功能层由柔性材料组成、且位于基底上；
金属丝，金属丝的一末端设成几何图形埋于功能层中，且金属丝设成的该几何图形与基底之间设有隔离区域，隔离区域为空心区域或由弹性材料组成。
本申请实施例提供的连接结构体，是一种新型的金属丝和柔性材料连接部位结构，该连接体中，金属丝与功能层的柔性材料连接部位与基底之间设置有隔离区域，因该隔离区域的存在，使得金属丝和功能层柔性材料的连接部位可以不再直接受到基底的约束，该连接部位只承受由功能层传递来的极小的应变，从而保证了金属丝和柔性材料连接的稳定性；另外，金属丝的一末端是设成几何图形埋于功能层中，这样增大二者的接触面积，可以防止脱落，从而进一步提高连接稳定性。因此，本申请实施例的连接结构体很好地解决了刚性材料与柔性材料连接可靠性的难题，在各种功能柔性器件中具有很好的应用前景。
在一个实施例中，本申请金属丝末端的几何图形为平面几何图形或立体几何图形；具体地，平面几何图可以选自圆形、三角形、方形和波浪形中的至少一种，立体几何图形可以选自弹簧形。如图2所示，连接结构体中的金属丝的一末端设成的几何图形可以是圆形、方形和波浪形。金属丝的端部被制成圆形、三角形、方形、波浪形、弹簧形等二维或三维图案等各种几何图形，从而进一步增大二者的接触面积，防止脱落。进一步地，该金属丝可以是铜金属丝、金金属丝、铝金属丝、银金属丝，以及各种合金丝等；可以是单根，也可以是多根组成的线束。
在一个实施例中，功能层的柔性材料为导电柔性复合材料，具体地，为导电填料和弹性材料组合而成的复合材料，其中的导电填料可以是金属纳米颗粒、金属纳米线、碳纳米管、石墨烯等导电材料，弹性材料可以是硅橡胶、天然橡胶或凝胶，硅橡胶包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)和脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)导电柔性复合材料；
在一个实施例中，隔离区域可以用弹性材料填补，或者不填补；即隔离区域可以是无材料的空心区域，或者由弹性材料组成的隔离区域。进一步地，该隔离区域的弹性材料也可以选自硅橡胶、天然橡胶和凝胶中的至少一种。
在一个实施例中，隔离区域可以是长方体、棱柱、圆柱等任意三维实体，隔离区域的外轮廓长度为1～1000μm。该尺寸的隔离区域，可以很好地保证金属丝和功能层柔性材料的连接部位不再直接受到基底的约束。
在一个实施例中，基底为弹性薄膜，例如，基底为聚二甲基硅氧烷薄膜。
在一个实施例中，该连接结构体的金属丝的另一末端与其他部位连接，例如可以与其他部位的柔性材料或者信号处理器连接。这样可以把信号稳定地传输到信号处理器进行处理。
在一个实施例中，该连接结构体的功能层两端均按上述方式连接有金属丝。
本申请实施例第二方面提供一种连接结构体的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
S01：在基底上形成第一柔性材料组成的初始功能层，且初始功能层相邻侧预设隔离区域设有隔离材料，隔离材料为弹性材料；
S02：在隔离材料上覆盖第二柔性材料；
S03：将金属丝的一末端设成几何图形置于第二柔性材料上，然后在第二柔性材料上覆盖第三柔性材料；
其中，第一柔性材料、第二柔性材料和第三柔性材料组成功能层。
本申请实施例的连接结构体的制备方法，将金属丝的一末端设成几何图形埋于功能层中，同时，制备的过程中，在金属丝与功能层连接位置(即第二柔性材料的位置)的下方预设有隔离区域，这样金属丝末端的连接部位可以不再直接受到基底的约束，只承受由功能层传递来的极小的应变，从而保证了接触方式的稳定性；将制备方法提高了刚性材料与柔性材料的连接可靠性，在柔性器件制备工艺中具有很好的应用前景。
上述步骤S01中：先在基底上确定隔离区域和初始功能层的位置，然后可以先制备第一柔性材料组成的初始功能层，然后在对应的隔离区域上覆盖隔离材料；也可以先在预设的隔离区域上覆盖隔离材料，然后在对应的初始功能层位置覆盖第一柔性材料。隔离材料可以是尺寸为1～1000μm的长方体、棱柱、圆柱等任意三维实体，这样可以形成该尺寸范围的立体隔离区域。
上述步骤S02和S03即为实现包埋金属丝的过程。将金属丝的一末端设成几何图形置于第二柔性材料上后覆盖第三柔性材料，这样第一柔性材料、第二柔性材料和第三柔性材料组成最终的功能层；从而将金属丝埋入式连接在功能层内。
进一步地，上述金属丝的一末端设成的几何图形为平面几何图形或立体几何图形；具体地，平面几何图形可以选自圆形、三角形、方形和波浪形中的至少一种，立体几何图形可以选自弹簧形。进一步地，该金属丝可以是铜金属丝、金金属丝、铝金属丝、银金属丝，以及各种合金丝等；可以是单根，也可以是多根组成的线束。
第一柔性材料、第二柔性材料和第三柔性材料均为导电柔性复合材料，具体是由导电填料和弹性材料组合而成的复合材料，其中的导电填料可以是金属纳米颗粒、金属纳米线、碳纳米管、石墨烯等导电材料，弹性材料可以是硅橡胶、天然橡胶或凝胶。进一步地，第一柔性材料、第二柔性材料和第三柔性材料可以是相同的导电柔性复合材料，也可以是性能相似的导电柔性复合材料。例如，对于银颗粒与PDMS复合而成的柔性复合材料：第一柔性材料可以是银颗粒含量30％的柔性复合材料，第二柔性材料可以是银颗粒含量31％的柔性复合材料，第三柔性材料可以是银颗粒含量32％的柔性复合材料，该第一柔性材料、第二柔性材料和第三柔性材料性能相似，组成基底上的功能层。
导电柔性复合材料基底为弹性薄膜，如聚二甲基硅氧烷薄膜。基底上述预设隔离区域的弹性材料可以选自硅橡胶、天然橡胶和凝胶中的至少一种。
进一步地，该制备方法还包括：移去弹性材料。
进一步地，该制备方法可以在功能层两端均按上述方式连接金属丝。
在一个具体实施例中，如图3所示，该制备方法包括如下步骤：
步骤一(图3a)：在基底上确定隔离区域的位置，并制备第一柔性材料组成的初始功能层；
步骤二(图3b)，在初始功能层相邻的隔离区域位置覆盖隔离材料；
步骤三(图3c)，在隔离材料上面覆盖第二柔性材料；
步骤四(图3d)，将金属丝端部制作成几何图形，并连接到第二柔性材料上面，实现外贴式连接；
步骤五(图3e)，在金属丝端部几何图形上方覆盖第三柔性材料，第一柔性材料、第二柔性材料和第三柔性材料连接在一起，形成最终功能层，从而把金属丝端部埋入在功能层材料中，实现埋入式连接。
步骤六(图3f)，移去隔离材料(当然，根据需要也可以不移去，此步骤可省略)。
本申请实施例第三方面还提供一种柔性器件，该柔性器件具有本申请实施例的连接结构体和/或本申请实施例的制备方法制备得到的连接结构体。
本申请实施例的柔性器件具有本申请实施例特有的连接结构体，因该连接结构体具有稳定性好的特点，使得该柔性器件的功能层材料和金属丝之间的信号传输稳定、可靠。
下面结合具体实施例进行说明。
实施例1
一种连接结构体，包括：基底；功能层，由导电柔性复合材料(银纳米颗粒与PDMS复合而成)组成、且位于基底上；金属丝(铜丝，横截面直径小于100微米)，金属丝的一末端设成圆形埋于功能层中，且金属丝设成圆形的末端与基底之间设有隔离区域，隔离区域的隔离材料为弹性材料。基底和隔离区域的弹性材料都是聚二甲基硅氧烷，结构如图4所示，基底上的两个长方体块就是隔离材料，功能层两侧的类似悬臂梁的长方体块就是连接部位，内部埋入金属丝的端部。该连接结构体的制备步骤如下：
步骤一：确定隔离区域的位置尺寸数据，制作凹陷式模板，如图5所示，在凹陷式模板中注入液态的聚二甲基硅氧烷，固化剥离后，得到带有隔离材料的基底。
步骤二：覆盖第一导电柔性复合材料得到初始功能层。
步骤三：在隔离材料上面覆盖第二导电柔性复合材料。
步骤四：把金属丝端部制作成圆形，并外贴式连接到第二导电柔性复合材料上面。
步骤五：在金属丝圆形上方覆盖第三导电柔性复合材料，第一导电柔性复合材料、第二导电柔性复合材料和第三导电柔性复合材料连接在一起，形成最终功能层，从而实现金属丝埋入式连接。
本实施例的连接结构体在基底承受100％拉伸应变时，整体的应变分布情况如图6的ANSYS仿真结果云图所示：连接部位的顶部应变低于2％，中部应变仅有5％，远小于基底总应变，金属丝与功能层的材料接触部位几乎不发生形变，这就大幅提高了连接可靠性，并降低了数据信号传递的误差。
实施例2
一种连接结构体，包括：基底；功能层，由导电柔性复合材料(银纳米颗粒与PDMS复合而成)组成、且位于基底上；金属丝(金丝)，金属丝的一末端设成方形埋于功能层中，且金属丝设成方形的末端与基底之间设有隔离区域，隔离区域的隔离材料由弹性材料组成。基底的材料是聚二甲基硅氧烷，隔离区域的弹性材料是聚二甲基硅氧烷。该连接结构体的制备步骤如下：
步骤一：在基底上面覆盖第一导电柔性复合材料得到初始功能层。
步骤二：确定隔离区域的位置尺寸数据，在初始功能层两侧连接隔离材料。
步骤三：在隔离材料上面覆盖第二导电柔性复合材料。
步骤四：把金属丝端部制作成方形，并外贴式连接到第二导电柔性复合材料上面。
步骤五：在金属丝方形上方覆盖第三导电柔性复合材料，第一导电柔性复合材料、第二导电柔性复合材料和第三导电柔性复合材料连接在一起，形成最终功能层，从而实现金属丝埋入式连接。
本实施例的连接结构体在基底承受100％拉伸应变时，整体的应变分布情况如图7中的ANSYS仿真结果云图所示：连接部位的顶部应变5％，中部应变12％，小于基底总应变，金属丝与功能层的材料接触部位虽然发生小幅度形变，但连接可靠性仍然很好，并降低了数据信号传递的误差。
实施例3
一种连接结构体，包括：基底；功能层，由导电柔性复合材料(石墨烯复合Ecoflex)组成、且位于基底上；金属丝(银丝、铝丝等多跟金属丝组成的线束)，金属丝的一末端设成圆形埋于功能层中，且金属丝设成圆形的末端与基底之间设有隔离区域，隔离区域的隔离材料为天然橡胶，基底的材料是聚二甲基硅氧烷。该连接结构体的制备步骤如下：
步骤一：确定隔离区域的位置尺寸数据，制作凹陷式模板；在凹陷式模板的隔离区域注入硅橡胶，固化；在凹陷式模板的其余区域注入聚二甲基硅氧烷，固化，剥离，得到带有隔离材料的基底。
步骤二：覆盖第一导电柔性复合材料得到初始功能层。
步骤三：在隔离材料上面覆盖第二导电柔性复合材料。
步骤四：把金属丝端部制作成圆形，并外贴式连接到第二导电柔性复合材料上面。
步骤五：在金属丝圆形上方覆盖第三导电柔性复合材料，第一导电柔性复合材料、第二导电柔性复合材料和第三导电柔性复合材料连接在一起，形成最终功能层，从而实现金属丝埋入式连接。
本实施例的连接结构体在基底承受100％拉伸应变时，整体的应变分布情况如图8的ANSYS仿真结果云图所示：连接部位的顶部应变4％，中部应变5％～8％，远小于基底总应变，金属丝与功能层的材料接触部位几乎无形变，连接可靠性很好，并降低了数据信号传递的误差。
实施例4
一种连接结构体，包括：基底；功能层，由导电柔性复合材料(银纳米颗粒与PDMS复合而成)组成、且位于基底上；金属丝(金丝)，金属丝的一末端设成波浪形埋于功能层中，且金属丝设成波浪形的末端与基底之间设有隔离区域，隔离区域的隔离材料由弹性材料组成。基底的材料是聚二甲基硅氧烷。该连接结构体的制备步骤如下：
步骤一：在基底上面覆盖第一导电柔性复合材料得到初始功能层。
步骤二：确定隔离区域的位置尺寸数据，在初始功能层两侧连接隔离材料。
步骤三：在隔离材料上面覆盖第二导电柔性复合材料。
步骤四：把金属丝端部制作成波浪形，并外贴式连接到第二导电柔性复合材料上面。
步骤五：在金属丝波浪形上方覆盖第三导电柔性复合材料，第一导电柔性复合材料、第二导电柔性复合材料和第三导电柔性复合材料连接在一起，形成最终功能层，从而实现金属丝埋入式连接。
步骤六：移除隔离材料。
本实施例的连接结构体在基底承受100％拉伸应变时，整体的应变分布情况如图9中的ANSYS仿真结果云图所示：连接部位的顶部应变1.5％，中部应变0.6％～1％，远远小于基底总应变，金属丝与功能层的材料接触部位无形变，连接可靠性很好，数据信号传递几乎无误差。
对比例1
一种连接结构体，包括：基底；功能层，由导电柔性复合材料(银纳米颗粒与PDMS复合而成)组成、且位于基底上；金属丝(铜丝)，金属丝的一末端埋于功能层中；结构如图10所示。基底的材料是聚二甲基硅氧烷。该连接结构体的制备步骤如下：
步骤一：在基底上面覆盖导电柔性复合材料得到功能层。
步骤二：把金属丝端部包埋于上述功能层中。
本对比例的连接结构体在基底承受100％拉伸应变时，整体的应变分布情况如图11中的ANSYS仿真结果云图所示：连接部位的顶部应变10％，中部应变50％，金属丝与功能层的材料接触部位发生严重的形变，连接可靠性很差，数据信号传递完全失真。本对比例是假设仿真，因为这种结构并不能承受这么大的应变，连接部位早已断裂。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种连接结构体，其特征在于，包括：
基底；
功能层，所述功能层由柔性材料组成、且位于所述基底上；
金属丝，所述金属丝的一末端设成几何图形埋于所述功能层中，所述金属丝的另一末端未埋于所述功能层中，且所述金属丝设成的所述几何图形与所述基底之间设有隔离区域，所述隔离区域为空心区域。
2.如权利要求1所述的连接结构体，其特征在于，所述金属丝的一末端设成的所述几何图形为平面几何图形或立体几何图形。
3.如权利要求2所述的连接结构体，其特征在于，所述平面几何图形选自圆形、三角形、方形和波浪形中的至少一种；和/或，
所述立体几何图形选自弹簧形。
4.如权利要求1所述的连接结构体，其特征在于，所述隔离区域的外轮廓长度为1～1000μm。
5.如权利要求1所述的连接结构体，其特征在于，柔性材料为导电柔性复合材料。
6.如权利要求1-5任一项所述的连接结构体，其特征在于，所述基底为弹性薄膜。
7.一种连接结构体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在基底上形成第一柔性材料组成的初始功能层，且所述初始功能层相邻侧预设隔离区域设有隔离材料，所述隔离材料为弹性材料；
在所述隔离材料上覆盖第二柔性材料；
将金属丝的一末端设成几何图形置于所述第二柔性材料上，然后在所述第二柔性材料上覆盖第三柔性材料；
移去所述弹性材料；
其中，所述第一柔性材料、所述第二柔性材料和所述第三柔性材料组成功能层。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述金属丝的一末端设成的所述几何图形为平面几何图形或立体几何图形；和/或，
所述柔性材料为导电柔性复合材料；和/或，
所述弹性材料选自硅橡胶、天然橡胶和凝胶中的至少一种；和/或，
所述基底为弹性薄膜。
9.一种柔性器件，其特征在于，所述柔性器件具有权利要求1-6任一项所述的连接结构体和/或权利要求7-8任一项所述的制备方法制备得到的连接结构体。
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