CN212675935U - 可拉伸多芯导电元件、可拉伸电缆与可拉伸电容传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种可拉伸多芯导电元件，包括两个及两个以上可拉伸导线，所述可拉伸导线互相绝缘，沿着长度方向绞合在一起，每个可拉伸导线包括液态金属与包覆在液态金属外围的第一弹性绝缘层。该可拉伸多芯导电元件结构简单，易制作，具有高电导性与高拉伸性，可作为可拉伸电缆与可拉伸电容传感器，具有良好的应用前景。

Description

可拉伸多芯导电元件、可拉伸电缆与可拉伸电容传感器

技术领域

本实用新型涉及柔性电子技术领域，特别涉及可拉伸多芯导电元件、可拉伸电缆与可拉伸电容传感器。

背景技术

随着物联网与可穿戴技术的发展，柔弹性、可伸缩器件是未来电子器件发展的主流趋势。其中，弹性导线、弹性传感器是柔弹性器件发展的关键单元，近年来受到人们的广泛关注，尤其用于信号传输的多芯线电缆、信号收集的传感器，对于电子产品的小型化、便携性和舒适性非常重要。

目前，弹性导线主要有两种方式制备形成，一种是由多股铜线缠绕成螺旋结构，在拉伸时螺旋结构被拉直，从而保持导电的连续性，但是这种螺旋结构会占有比较大空间，不利于器件的集成化和小型化，再者，铜线的刚度比较大，在穿戴中会有比较大的异物感；另一种是由导电纤维线编织成具有拉伸特点的面料，但是，这种材料的导电性较差，而且稳定性较差，不耐腐蚀，不耐水洗。

弹性传感器主要有电阻型和电容型两种结构。电阻型通常由导电纳米材料与弹性体材料复合而成，拉伸时导电粒子的导电通路发生改变，从而电阻发生变化。电容型传感器一般是电极层、介电层、电极层构成的三明治结构，拉伸时介电层的厚度变小，电极层面积变大，从而电容增大。这两种传感器虽然对拉伸形变有很好的响应，但是发生弯曲形变时其同样有响应，所以当传感器应用在同时有弯曲形变和拉伸形变的环境中时，传感器无法获得精准的拉伸变化，即拉伸应变的信号会受到弯曲形变的干扰。

实用新型内容

针对上述技术现状，本实用新型提供一种可拉伸多芯导电元件，其结构简单，具有高导电性与高弹性。

本实用新型提供的技术方案为：一种可拉伸多芯导电元件，其特征是：包括两个及两个以上可拉伸导线，所述可拉伸导线互相绝缘，沿着长度方向并行排列在一起或者绞合在一起；

每个可拉伸导线包括中心导体与包覆在中心导体外围的第一弹性绝缘层，所述中心导体是液态金属。

所述绞合是指沿着长度方向，各可拉伸导线扭拧、缠绕在一起。作为优选，扭拧后各可拉伸导线呈轴对称的起伏结构。

作为优选，绞合在一起的可拉伸导线的外围包覆第二弹性绝缘层作为弹性保护层。作为进一步优选，绞合在一起的可拉伸导线的外围包覆弹性导电材料作为弹性屏蔽层，弹性屏蔽层外部包覆第二弹性绝缘层作为弹性保护层。

所述第一弹性绝缘层、第二弹性绝缘层均由弹性体构成。所述弹性体是指在外力作用下可以发生形变，撤去外力后具有一定的形变恢复能力的非导体材料，包括但不限于弹性织物、乳胶、硅胶、聚氨酯(PU)、聚乳酸(PLA)、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氧化乙烯(POE)、脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)、天然橡胶、合成橡胶等弹性材料或以它们为基底掺杂炭黑、白炭黑、碳纳米管、银纳米线、银包镍颗粒等复合材料等材料中的一种或多种。

所述第一弹性绝缘层与第二弹性绝缘层材料可以相同，也可以不同。

所述液态金属是指在室温下为液态的金属材料，包括但不限于汞、镓铟合金、镓铟锡合金，或者过渡族金属元素、固态非金属元素的一种或几种掺杂的镓铟合金、镓铟锡合金。

所述的弹性屏蔽层是指具有一定电场屏蔽作用的弹性导电材料，包括但不限于导电织物、金属纳米材料、石墨烯、碳纳米管、石墨、液态金属、导电胶、导电凝胶、导电银浆等材料中的一种或多种，以及它们中一种或多种与乳胶、硅胶、聚氨酯(PU)、聚乳酸(PLA)、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氧化乙烯(POE)、脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)、天然橡胶、合成橡胶等弹性材料形成的复合材料。金属纳米材料包括但不限于金、银、铜、铝、锌等。导电织物包括但不限于银丝、铜丝、导电纤维等编织而成的导电材料。

本实用新型的可拉伸多芯线电缆的制备方法可以如下：

(1)将第一液态金属填充到弹性管中，形成可拉伸导线；

(2)将两根或两根以上可拉伸导线沿着长度方向并行排列在一起或者绞合在一起。

作为优选，还包括如下步骤(3)：

(3)经步骤(2)绞合后的可拉伸导线的外围包覆弹性导电材料作为屏蔽层，在屏蔽层外围包覆第二弹性绝缘层作为保护层。

所述弹性管是指在外力作用下可以发生形变，撤去外力后具有一定的形变恢复能力的非导体的管状材料，包括但不限于乳胶、硅胶、聚氨酯(PU)、聚乳酸(PLA)、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氧化乙烯(POE)、脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)、天然橡胶、合成橡胶等弹性材料或以它们为基底掺杂炭黑、白炭黑、碳纳米管、银纳米线、银包镍颗粒等复合材料等材料中的一种或多种构成的管状结构。作为优选，所述的弹性管采用硅胶管。

所述步骤(1)中，将第一液态金属填充到弹性管中的方法不限，包括注射、真空 /负压吸入、3D打印、挤出等方法中一种或多种。作为优选，采用注射的方法。

所述步骤(3)中，包覆方法不限，包括编织、刮涂、涂覆、挤出、喷涂、热压等方法中的一种或多种。作为优选，采用编织的方式实现包覆。

本实用新型采用由液态金属与包覆在液态金属外围的弹性绝缘层构成可拉伸导线，将两个或者两个以上可拉伸导线沿着长度方向绞合在一起，构成可拉伸的多芯导电元件，具有如下优点：

(1)液态金属具有优异的导电性，其电导率达到2×10⁶S/m；同时，液态金属具有优异的“柔性”，作为导电体不会限制弹性体的拉伸性能，因此本实用新型的导电元件兼具高电导性与高拉伸性，其电导率可达到3.4×10⁶S/m，拉伸倍率可高达3200％。

(2)本实用新型的导电元件可作为多芯电缆使用，此时，每一根可拉伸导线的两端都接入电路，用于传输电信号，具有高电导率、高拉伸性与高稳定性，尤其是当各可拉伸导线绞合在一起时，具有抗电磁干扰性与抗弯折性能，并且使电缆更圆整,外观更漂亮。

(3)本实用新型的导电元件作为电容传感器使用，此时，相邻的两根可拉伸导线中的液态金属作为电极层，位于液态金属之间的弹性绝缘层作为介电层，电路的正极电连接一根可拉伸导线中的液态金属，电路的负极电连接另一根可拉伸导线中的液态金属。尤其是这两根可拉伸导线交错缠绕形成双绞线结构时，当传感器发生弯曲形变，两电极层间的局部电容交替出现增大、减小的变化，整体电容变化值相互抵消，即该结构的电容传感器对弯曲应变不敏感，避免了拉伸应变的信号受到弯曲形变干扰的问题。

(4)本实用新型结构简单，易于制作，外层的绝缘层、屏蔽层有助于保护电子元件，便于与其他电路连接与集成。

附图说明

图1是本实用新型实施例1中可拉伸两芯导电元件的截面结构示意图；

图2是本实用新型实施例1中可拉伸两芯导电元件长度方向的剖面示意图；

图3是本实用新型实施例2中可拉伸两芯导电元件的截面结构示意图；

图4是本实用新型实施例2中可拉伸两芯导电元件长度方向的剖面示意图；

图5是本实用新型实施例3中可拉伸两芯导电元件的截面结构示意图；

图6是本实用新型实施例3中可拉伸两芯导电元件长度方向的剖面示意图；

图7是本实用新型实施例4中可拉伸两芯导电元件的截面结构示意图；

图8是本实用新型实施例4可拉伸两芯导电元件长度方向的剖面示意图；

图9是本实用新型实施例5中可拉伸两芯导电元件的截面结构示意图；

图10是本实用新型实施例5可拉伸两芯导电元件长度方向的剖面示意图；

其中，附图标记为：1液态金属、2弹性管、3弹性管、4弹性屏蔽层、5弹性保护层。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本实用新型的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

本实施例中，如图1、2所示，液态金属1分别填充于弹性管2和弹性管3，组成两个可拉伸导线，沿着长度方向，这两个可拉伸导线相互交错缠绕形成双绞线结构的可拉伸多芯导电元件。其中，液态金属选用GaInSn合金，弹性管2与弹性管3均采用热塑性弹性材料SEBS构成。

该可拉伸多芯导电元件的制备方法如下：

采用挤出机设备，采用挤出模具，所述的挤出模具是并排双针外侧套接的两个中空管体，利用该模具直接挤出SEBS弹性管；然后向管中直接注射液态金属；之后通过外部缠绕设备牵引，将两根导线相互缠绕，形成如图2所示的可拉伸双绞线结构。

该可拉伸多芯导电元件可作为多芯线缆使用，此时，每一根可拉伸导线的两端都接入电路，用于传输电信号，具有高电导率、高拉伸性，以及抗电磁干扰和抗弯折性能强的优点。

该可拉伸多芯导电元件可作为电容传感器使用，此时，一根可拉伸导线中的液态金属作为电极层，位于液态金属之间的弹性管作为介电层，电路的正极电连接一根可拉伸导线中的液态金属，电路的负极电连接另一根可拉伸导线中的液态金属。该传感器结构对拉伸形变敏感，但是对弯曲形变不敏感。

实施例2：

本实施例中，如图3、4所示，液态金属1分别填充于弹性管2和弹性管3，组成两个可拉伸导线，沿着长度方向，这两个可拉伸导线相互交错缠绕在一起形成双绞线结构，其外围包覆弹性保护层5，得到可拉伸多芯导电元件。

其中，液态金属选用GaInSn合金，弹性管2与弹性管3均采用热塑性弹性材料SEBS构成，弹性保护层5采用编织成弹性结构的涤纶纤维丝构成。

该可拉伸多芯导电元件的制备方法如下：

采用挤出机设备，采用挤出模具，所述的挤出模具是并排双针外侧套接的两个中空管体，利用该模具直接挤出SEBS弹性管；然后向管中直接注射液态金属；之后通过外部缠绕设备牵引，将两根导线相互缠绕，形成可拉伸双绞线结构；最后在双绞线结构外围采用涤纶纤维丝编织成弹性结构的方式包覆弹性保护层5。

该可拉伸多芯导电元件可作为多芯线缆使用，此时，每一根可拉伸导线的两端都接入电路，用于传输电信号，具有高电导率、高拉伸性，以及抗电磁干扰和抗弯折性能强的优点。

该可拉伸多芯导电元件可作为电容传感器使用，此时，一根可拉伸导线中的液态金属作为电极层，位于液态金属之间的弹性管作为介电层，电路的正极电连接一根可拉伸导线中的液态金属，电路的负极电连接另一根可拉伸导线中的液态金属。该传感器结构对拉伸形变敏感，但是对弯曲形变不敏感。

实施例3：

本实施例中，如图5、6所示，液态金属1分别填充于弹性管2和弹性管3，组成两个可拉伸导线，沿着长度方向，这两个可拉伸导线相互交错缠绕在一起形成双绞线结构，其外围包覆弹性屏蔽层4，屏蔽层4的外围包覆弹性保护层5，得到可拉伸多芯导电元件。

其中，液态金属选用GaInSn合金，弹性管2与弹性管3均采用热塑性弹性材料SEBS构成，弹性屏蔽层4采用GaInSn合金，弹性保护层5采用热塑性弹性材料SEBS构成。

该可拉伸多芯导电元件的制备方法如下：

采用挤出机设备，采用挤出模具，所述的挤出模具是并排双针外侧套接的两个中空管体，利用该技术模具直接挤出SEBS弹性管；然后向管中直接注射液态金属；之后通过外部缠绕设备牵引，将两根导线相互缠绕，形成可拉伸双绞线结构；在双绞线结构外围涂覆液态金属屏，最后采用涂覆的方式包覆弹性保护层5。

该可拉伸多芯导电元件可作为多芯线缆使用，此时，每一根可拉伸导线的两端都接入电路，用于传输电信号，具有高电导率、高拉伸性，以及抗电磁干扰和抗弯折性能强的优点。

该可拉伸多芯导电元件可作为电容传感器使用，此时，一根可拉伸导线中的液态金属作为电极层，位于液态金属之间的弹性管作为介电层，电路的正极电连接一根可拉伸导线中的液态金属，电路的负极电连接另一根可拉伸导线中的液态金属。该传感器结构对拉伸形变敏感，但是对弯曲形变不敏感。

实施例4：

本实施例中，如图7、8所示，液态金属1分别填充于弹性管2和弹性管3，组成两个可拉伸导线，沿着长度方向，这两个可拉伸导线相接触地平行排列，形成并行线结构，其外围包覆弹性屏蔽层4，弹性屏蔽层4的外围包覆弹性保护层5，得到可拉伸多芯导电元件。

其中，液态金属选用GaInSn合金，弹性管2与弹性管3均采用热塑性弹性材料SEBS构成，弹性屏蔽层4采用GaInSn合金，弹性保护层5采用热塑性弹性材料SEBS构成。

该可拉伸多芯导电元件的制备方法如下：

采用挤出机设备，采用挤出模具，所述的挤出模具是并排双针外侧套接的两个中空管体，利用该模具直接挤出SEBS弹性管；然后向管中直接注射液态金属；之后通过外部设备牵引，将两根导线沿着长度方向相接触地平行排列在一起，形成并行线结构；在并行线结构外围涂覆液态金属屏，最后采用涂覆的方式包覆弹性保护层5。

该可拉伸多芯导电元件可作为多芯线缆使用，此时，每一根可拉伸导线的两端都接入电路，用于传输电信号，具有高电导率、高拉伸性，以及抗电磁干扰的优点。

该可拉伸多芯导电元件可作为电容传感器使用，此时，一根可拉伸导线中的液态金属作为电极层，位于液态金属之间的弹性管作为介电层，电路的正极电连接一根可拉伸导线中的液态金属，电路的负极电连接另一根可拉伸导线中的液态金属。

实施例5：

本实施例中，如图9、10所示，液态金属1分别填充于弹性管2和弹性管3，组成两个可拉伸导线，这两个可拉伸导线相互交错缠绕形成双绞线结构。将两个这样的双绞线结构沿着长度方向平行排列作为芯层，其外围包覆弹性屏蔽层4，弹性屏蔽层4的外围包覆弹性保护层5，得到可拉伸多芯导电元件。

其中，液态金属选用GaInSn合金，弹性管2与弹性管3均采用热塑性弹性材料SEBS构成，弹性屏蔽层4采用GaInSn合金，弹性保护层5采用热塑性弹性材料SEBS构成。

该可拉伸多芯导电元件的制备方法如下：

采用挤出机设备，采用挤出模具，所述的挤出模具是并排双针外侧套接的两个中空管体，利用该模具直接挤出SEBS弹性管；然后向管中直接注射液态金属；之后通过外部缠绕设备牵引，将两根导线相互缠绕，形成如图2所示的可拉伸双绞线结构。将两个这样的双绞线结构沿着长度方向平行排列作为芯层，在芯层外围涂覆液态金属屏，最后采用涂覆的方式包覆弹性保护层5。

该可拉伸多芯导电元件可作为多芯线缆使用，此时，每一根可拉伸导线的两端都接入电路，用于传输电信号，具有高电导率、高拉伸性，以及抗电磁干扰和抗弯折性能强的优点。

该可拉伸多芯导电元件可作为电容传感器使用，此时，一根可拉伸导线中的液态金属作为电极层，位于液态金属之间的弹性管作为介电层，电路的正极电连接一根可拉伸导线中的液态金属，电路的负极电连接另一根可拉伸导线中的液态金属。该传感器结构对拉伸形变敏感，但是对弯曲形变不敏感。

以上所述的实施例对本实用新型的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本实用新型的具体实施例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可拉伸多芯导电元件，其特征是：包括两个及两个以上可拉伸导线，所述可拉伸导线互相绝缘，沿着长度方向并行排列在一起或者绞合在一起；

每个可拉伸导线包括液态金属构成的中心导体与包覆在中心导体外围的第一弹性绝缘层。

2.如权利要求1所述的可拉伸多芯导电元件，其特征是：绞合在一起的可拉伸导线的外围包覆第二弹性绝缘层作为弹性保护层。

3.如权利要求2所述的可拉伸多芯导电元件，其特征是：绞合在一起的可拉伸导线的外围包覆弹性导电材料作为弹性屏蔽层，弹性屏蔽层外部包覆第二弹性绝缘层作为弹性保护层。

4.一种可拉伸电缆，其特征是：包括如权利要求1至3中任一权利要求所述的可拉伸多芯导电元件。

5.如权利要求4所述的可拉伸电缆，其特征是：各可拉伸导线绞合在一起。

6.一种可拉伸电容传感器，其特征是：包括如权利要求1至3中任一权利要求所述的可拉伸多芯导电元件，电路的正极电连接一根可拉伸导线中的液态金属，电路的负极电连接另一根可拉伸导线中的液态金属。

7.如权利要求6所述的可拉伸电容传感器，其特征是：所述两根可拉伸导线交错缠绕形成双绞线结构。

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