[發明專利]一種彈性導體及其制備方法

有效

• 申請號: 201910009076.3
• 申請日: 2019-01-04
• 公開（公告）號: CN111415770B
• 公開（公告）日: 2021-08-17
• 發明（設計）人: 劉宜偉;曹鵬娟;李法利;李潤偉
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: H01B5/04
• 分類號: H01B5/04;H01B5/14;H01B13/00
• 代理公司: 寧波元為知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 33291
• 代理人: 單英

本發明公開了一種彈性導體及其制備方法。該彈性導體包括彈性基體與液態金屬，彈性基體不導電，液態金屬附著在彈性基體表面，并且在彈性基體外圍呈連續的螺旋繞行狀。本發明采用扭轉成形工藝制備該彈性導體。該彈性導體進行拉伸形變時，電阻變化率較小，在柔性電子器件中具有潛在的應用價值。

技術領域

本發明涉及柔性電子技術領域，尤其涉及一種彈性導體及其制備方法。

背景技術

可拉伸電子產品在日常生活中的應用越來越受到人們的關注。可拉伸傳感器、可拉伸印制電路板、可拉伸電池、電子皮膚等的學術進展預示著可拉伸器件在健康監測、智能紡織品、可穿戴顯示等領域具有廣闊的市場前景。

目前，可拉伸導體主要基于復合材料，如銀納米線、金屬納米顆粒、碳納米管、石墨烯等導電填料與非導電彈性聚合物的混合物，以及基于特殊的幾何結構，如馬蹄形電路、金屬薄膜或預應變聚二甲基硅氧烷(PDMS)上的導電銀納米線薄膜、彈簧狀導電纖維等。但是，由于非導電彈性聚合物的存在，基于復合材料的可拉伸導體一直面臨著導電性差的問題。此外，在拉伸過程中，隨著導電填料間距的增加，可拉伸導體的電阻率隨形變(在100％應變時大于10倍)的增加而顯著增加。相比而言，基于幾何結構的可拉伸導體可由導電材料直接構成，例如純金屬、碳基導電材料等，因此具有更好的導電性(10^-6Ω·cm等級)；另外，這類可拉伸導體獨特的幾何結構保證了其高的拉伸性，在拉伸過程中導電部分的電阻性能變化較小，使其在形變下的電阻穩定性遠高于基于復合材料的可拉伸導體。因此，與基于復合材料的可拉伸導體相比，基于幾何結構的可拉伸導體具有較高的優勢。

但是，如何制備基于幾何結構的可拉伸導體卻是一個技術難題。隨著印刷電子技術的發展，通過3D打印、激光直接結構等方法在三維物體不規則表面制備電路雖然成為可能，但是在點對點工藝方面，3D打印和LDS工藝都面臨著生產效率低下的問題。另外，在柔性材料上制備電路仍然存在技術瓶頸。

發明內容

本發明提供一種彈性導體，在拉伸形變下，其電阻變化較小。

本發明的技術方案為：一種彈性導體，包括彈性基體與液態金屬；所述彈性基體不導電；所述的液態金屬附著在彈性基體表面，并且在彈性基體外圍呈連續的螺旋繞行狀。

所述液態金屬在室溫下呈液態，具有導電性，包括但不限于汞、鎵、鎵銦合金、鎵銦錫合金，以及過渡族金屬、固態非金屬元素的一種或幾種摻雜的鎵、鎵銦合金、鎵銦錫合金等。

所述的彈性基體具有可拉伸、扭轉等形變能力，包括但不限于脂肪族芳香族無規共聚酯(Ecoflex)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅膠、橡膠、樹脂、水凝膠、聚氨酯、苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、PVC、聚酰亞胺(PI)、聚對苯二甲酸類塑料(PET)、聚乙烯辛烯共彈性體(POE)、熱塑性彈性體(TPE)等中的一種或者幾種。

所述的液態金屬與參考軸的夾角為α，所述參考軸平行于螺旋繞行的中軸線。

作為優選，30°≤α≤150°，作為進一步優選60°≤α≤120°，更優選為80°≤α≤100°。

與現有技術相比，本發明采用液態金屬與彈性基體，具有如下優點：

(1)液態金屬在彈性基體表面呈連續的螺旋繞行狀而構成彈性導體，結合彈性基體具有良好的形變能力，當進行拉伸、扭轉等形變時，彈性導體的導電性保持良好；

(2)在拉伸形變時，該彈性導體的電阻變化率較小，并且電阻變化率與夾角α有關，當夾角α接近90°時，電阻變化率達到最小，例如在拉伸應變200％條件下，夾角α接近90°時電阻變化率基本趨于0。

本發明還提供一種利用扭轉成形工藝制備上述彈性導體的方法，包括如下步驟：

(1)將彈性基體沿一定方向A扭轉N圈；