[發明專利]一種基于金屬相變的柔性電子材料的制備方法及其應用

在審

• 申請號: 202210485234.4
• 申請日: 2022-05-06
• 公開（公告）號: CN114854198A
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 張久洋;劉懷志;李全
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: C08L83/04
• 分類號: C08L83/04;C08K3/08;C08L101/00;H01B1/22
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 孫斌

本發明公開了一種基于金屬相變的柔性電子材料的制備方法及其應用，該方法包括如下步驟：將兩種及以上的金屬單質加熱至熔融混合，攪拌然后冷卻得到固液兩相金屬；將固液兩相金屬與柔性高分子材料進行復合，得到復合物；復合物經過加工成型后得到基于金屬相變的電子材料。本發明的制備方法簡單易行，成本低，后處理簡單，同時制備得到的基于金屬相變柔性電子材料對力具有非常高的響應，響應系數在0.1?10000之間。同時微弱的形變都會對該相變柔性電子材料中的導電網絡產生影響，從而導致材料的電信號發生變化。本發明制備的基于金屬相變的柔性電子材料在可穿戴設備、電子皮膚以及可拉伸電極等方面具有很好的應用前景。

技術領域

本發明屬于柔性導電材料領域，具體涉及一種基于金屬相變的柔性電子材料及其制備方法和應用。

背景技術

隨著科技的發展，各種新型電子設備對柔性的需求越來越緊迫，使得電子設備向柔性方向發展，包括太陽能電池，智能紡織品、顯示器、電子皮膚以及儲能設備等。電子材料在柔性電子設備中是必不可少的，所以開發高性能柔性電子材料對各種新型應用場景具有十分重要的意義。柔性電子材料主要通過兩種方式實現柔性，即結構引入柔性和材料引入柔性。結構引入柔性主要通過將材料設計成可拉伸的結構，例如蛇紋石形、網狀、縱波形以及制造微裂縫等。但是通過這種方式制備的柔性材料想要實現高柔性通常需要設計復雜的圖案以及精密的設備，增加了導線的電阻和工藝復雜性，也就導致材料性能降低制作成本增加。與結構引入柔性方式相比材料引入柔性在工藝上要求則簡單的多。將導電納米材料均勻分散到聚合物基質中是實現材料柔性的一種簡單有效的方法。常用的導電填料主要有碳基材料、導電聚合物(聚苯胺、聚吡咯等)、氮化物和碳氮化物、金屬薄膜，液態金屬，金屬粉末以及二維過渡金屬碳化物等等。在這些導電材料中金屬由于具有高導電性、高穩定性和廉價等特點而被廣泛使用。通常將金屬材料通過共混的方法均勻分散到柔性基體得到柔性導電材料。這種方法雖然簡單，但是柔性電子材料中所用的金屬填料(如金屬粉末和金屬薄膜)室溫狀態下一般都是固態的僅僅只是起到一個導電的作用缺乏變形能力(想要實現可變形的液體狀態一般需要較高的溫度)，導致導電路徑在拉伸的過程中容易被破壞造成電阻急劇增加，限制了在柔性電子中的應用。而液態金屬作為填料雖然是可變形的且在室溫條件下可以實現固液相轉變，但是導電閾值較高且不能實現連續固液相轉變(液態金屬相變溫度是一個定值)，也就不能對柔性材料的力學和電學性能進行調控。因此，找到一種室溫條件下可以實現連續相轉變的金屬作為柔性材料的填料迫在眉睫。

發明內容

發明目的：針對現有技術存在的問題，本發明提供一種基于金屬相變的柔性電子材料的制備方法，該方法通過將固液兩相金屬引入柔性電子材料通過固液兩相金屬的連續相變實現精確控制柔性電子材料力學、電學性能連續可變的目的。

本發明還提供所述制備方法所制備的基于金屬相變的柔性電子材料和應用。

技術方案：為了實現上述目的，本發明所述的一種基于金屬相變的柔性電子材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)將兩種及以上的金屬單質加熱至熔融混合，攪拌然后冷卻得到固液兩相金屬；冷卻后的固液兩相金屬類似于水泥漿，既有固體又有液體；

(2)將固液兩相金屬與柔性高分子材料進行復合，得到復合物；

(3)復合物經過加工成型后得到基于金屬相變的電子材料。

其中，步驟(1)所述固液兩相金屬由鋰、鈉、鉀、銣、銫、鈹、鎂、鈣、鍶、鋇、鈧、釔、鑭系、鈦、鋯、鉿、礬、鈮、鉭、鉻、鉬、鎢、錳、錸、鐵、鈷、鎳、釕、銠、鈀、鋨、銥、鉑、銅、銀、金、鋅、鎘、鋁、鎵、銦、鉈、鍺、錫、鉛、銻、鉍中的任意兩種或兩種以上金屬加熱熔融攪拌制備得到。

其中，步驟(1)所述固液兩相金屬中的每種金屬的質量占比在0％-100％之間變化，不包括0％和100％。(冷卻后的金屬類似于水泥漿，既有固體又有液體)