基于液态金属的柔性印刷电路制备及其动态稳定性研究

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柔性印刷电路(Flexible Printed Circuit,FPC)是将导电材料按照一定排布印刷在柔性基底材料上,形成具有可导电图案的线路。与传统刚性导电材料不同,镓基液态金属具有低模量与高导电的优势,在制备动态稳定柔性电路上应用前景广阔。然而,液态金属的高表面能、易流动和易氧化等特点使其与柔性基底复合时无法兼顾界面作用、加工性与导电性。同时,基于液态金属的柔性印刷电路的动态稳定性机理也尚不明确。因此,本论文围绕制备动态稳定的柔性印刷电路,通过液态金属微粒的结构设计提升其在聚合物复合电路中的界面作用、加工性与导电性,并探讨了所制备的柔性电路的动态稳定性机理。针对液态金属与聚合物基体界面与加工方面的问题,采用高速机械搅拌分散液态金属制备液态金属微粒/聚氨酯导电油墨(粒径分布约为20μm);再通过涂覆印刷法将导电油墨印刷在弹性胶带上得到可拉伸电路LM/PU-C,初始体积电导率可达9000 S/m。研究发现,当液态金属含量在10 vol%时LM/PU-C的动态稳定性最佳,拉伸到500%应变过程中的电阻变化率R/R0<3倍,循环次数大于1200次。动态稳定性研究表明,由于LM/PU-C拉伸过程中液态金属微粒进行取向,在极高应变下仍能保持导电通路的连接,表现出良好的动态稳定性。LM/PU-C应用在可拉伸LED电路与可拉伸音响线中,在500%应变下仍能稳定工作。针对液态金属微粒(Liquid Metal Micro/nano-particles,LMP)初始不导电的问题,通过原位化学镀法制备“核-壳”结构的纳米银包覆液态金属导电粒子Ag@LMPs。粒子的初始表面电阻可以通过改变硝酸银的投料比,实现在0.17-180Ω/sq之间调控。研究发现,当Ag NO3:LM=1:1的粒子在受力达到500μN时外层纳米银破裂,释放出的液态金属可实时修复导电通路。采用丝网印刷法制备基于Ag@LMPs的A-Circuit电路。A-Circuit在10 000次弯曲循环测试后(弯曲半径0.5 mm),R/R0仅1.65倍;且在受到外力划损过程中电阻几乎不变,具有动态稳定性与实时自修复性能(自修复过程<200 ms)。将Ag@LMPs应用到柔性NFC标签、柔性LED电路、直写导电墨水中,在弯折时均表现出良好的工作稳定性。
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