一种交变电场制备图案化液态金属复合材料的方法及应用

本发明属于新材料制备和新材料应用的，具体涉及一种交变电场制备图案化液态金属复合材料的方法和应用。

背景技术：

1、液态金属是一种室温下具有流动性和金属性的特殊功能液体材料，具有低蒸发率、低毒性、高导热率、高电导率等性质，作为图案化导电、导热材料广泛应用于电子印刷、可拉伸导电材料、电子纸、软机器人、柔性传感器、能量收集等领域。

2、图案化液态金属材料需求的增加使得对液态金属图案化方法的实用性提出更高要求。对于当前多种液态金属图案化方法，在使用时多具有特定的适用性和局限性。其中经典的液态金属图案化方法包括注射法、直写法和模板印刷法等，需要通过施加外加压力或直接注射或挤压等操作形成图案，最终通过物理作用黏附在基底表面。这些方法简单、直接，但图案化的液态金属复合材料却面临因图案化不均匀、不稳定而导电循环性差、液态金属易聚集等问题。最本质的是因为高的界面能会导致液态金属不易于长期维持与基底的高亲和性。而新发展的反应润湿方法，通过构筑多种界面作用虽能减少上述问题的发生，但在制备中却需要特定材质的基底材料和特定制备环境。因此，新型图案化液态金属复合材料制备技术的开发对基于液态金属性质的材料的发展应用具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的不足，提供一种交变电场制备图案化液态金属复合材料的方法和应用。

2、为了实现以上目的，本发明的技术方案为：

3、一种交变电场下制备图案化液态金属复合材料的方法，其包括以下步骤：

4、1)使一基底具有图案化含铜表面；

5、2)采用电化学方法，以含铜基底为工作电极，惰性电极为对电极，水基电解质溶液为导电液，滴加液态金属到图案化含铜表面后施加交变电场，多次循环至液态金属完全填充覆盖图案化含铜表面，形成图案化液态金属层；其中，交变电场的一个循环单元为正向电压3v～15v，正向电压时间1s～8s，负向电压-8v～-15v，负向电压时间1s～15s。

6、可选的，步骤1)中，所述基底为含铜基底，于所述基底的表面覆盖图案化掩盖层，使裸露区域形成所述图案化含铜表面。

7、可选的，步骤1)中，所述基底为非含铜基底，于所述基底的表面形成图案化的含铜层。

8、含铜层的制作方法包括表面铜修饰、铜颗粒填充以及铜沉积等。

9、可选的，所述基底具有粘性表面，或于所述基底的表面构筑黏附层以形成粘性表面，使铜粉附着于限定区域的粘性表面形成所述图案化的含铜层；其中所述铜粉的颗粒大小为0.1-100μm。

10、可选的，可以通过溅射等工艺在非含铜基底的表面形成图案化的铜层。

11、可选的，所述液态金属是含镓元素的合金，包括但不限于镓铟或镓铟硒合金，所述液态金属在常温下为液态。

12、可选的，所述水基电解质溶液为浓度0.1-1m的酸溶液，所述交变电场的一个循环单元为正向电压8v～15v，正向电压时间3s～8s，负向电压-8v～-15v，负向电压时间8s～15s。

13、可选的，所述水基电解质溶液为浓度0.1-1m的碱溶液，所述交变电场的一个循环单元为正向电压3v～8v，正向电压时间3s～8s，负向电压-8v～-15v，负向电压时间8s～15s。

14、可选的，所述水基电解质溶液为浓度0.1-1m的盐溶液，所述交变电场的一个循环单元为正向电压8v～15v，正向电压时间1s～5s，负向电压-8v～-15v，负向电压时间1s～3s。

15、可选的，所述交流电包括方波型交流电、锯齿型交流电、脉冲型交流电、正交型交流电。

16、可选的，所述基底的材料是弹性材料或非弹性材料。

17、可选的，所述图案化掩盖层的材料可选亚克力板、塑料和牛皮纸等，制备方法有激光雕刻法，转印法、3d打印和裁剪等。

18、可选的，所述惰性电极可选标准电极，如饱和甘汞电极、ag/agcl电极；或化学性质不活泼但具有优良导电性的电极，如：铂、玻碳电极。

19、酸溶液是指ph＜7的电解质溶液，举例来说，酸溶液包括hcl、h2so4等；碱溶液是指ph＞7的电解质溶液，举例来说，包括naoh、koh等；盐溶液包括nacl、kcl等。

20、可选的，形成的图案化液态金属层的厚度为几百纳米至几十微米，例如，200nm～20μm。

21、可选的，所述图案化液态金属材料可用于柔性传感和电子电路。

22、可选的，图案化液态金属复合材料应用于柔性传感时，包括夹设于两柔性层中间的图案化液态金属层，其中第一柔性层具有图案化的铜表面，通过上述电化学工艺使图案化的铜表面填充覆盖液态金属层，然后覆盖第二柔性层。所述液态金属层的图案为波形或其他蜿蜒形状延伸的线型图案。

23、可选的，图案化液态金属复合材料应用于电子电路时，包括通过上述电化学工艺使图案化的铜表面填充覆盖液态金属层，然后覆盖电子元器件。所述电子元器件包括led、电阻、芯片和传感器等。

24、本发明的有益效果为：

25、(1)在交变电场下，液态金属经过氧化-还原交替变化，快速铺展于含铜基底表面，充分、均匀地覆盖形成预设的图案，界面以cuga2合金键维持镓基液态金属与含铜基底的高亲和性，工艺易于实现，可控性和重复性强。

26、(2)基于本发明方法制作的图案化液态金属复合材料应用于柔性传感体系的制备中，液态金属能够跟随微通道进行弹性变形，应变传感器灵敏度高、响应时间短，拓宽了图案化液态金属复合材料在人体运动检测等领域的应用。

27、(3)基于本发明方法制作的图案化液态金属复合材料应用于电子电路体系的制备中，液态金属的高导电/导热、柔性性能得以发挥，拓宽了图案化液态金属复合材料在现实生活中的应用。

技术特征：

1.一种交变电场下制备图案化液态金属复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的交变电场下制备图案化液态金属复合材料的方法，其特征在于：步骤1)中，所述基底为含铜基底，于所述基底的表面覆盖图案化掩盖层，使裸露区域形成所述图案化含铜表面。

3.根据权利要求1所述的交变电场下制备图案化液态金属复合材料的方法，其特征在于：步骤1)中，所述基底为非含铜基底，于所述基底的表面形成图案化的含铜层。

4.根据权利要求3所述的交变电场下制备图案化液态金属复合材料的方法，其特征在于：所述基底具有粘性表面，或于所述基底的表面构筑黏附层以形成粘性表面，使铜粉附着于限定区域的粘性表面形成所述图案化的含铜层；其中所述铜粉的颗粒大小为0.1-100μm。

5.根据权利要求1所述的交变电场下制备图案化液态金属复合材料的方法，其特征在于：所述液态金属是含镓元素的合金，在常温下为液态。

6.根据权利要求1所述的交变电场下制备图案化液态金属复合材料的方法，其特征在于：所述水基电解质溶液为浓度0.1-1m的酸溶液，所述交变电场的一个循环单元为正向电压8v～15v，正向电压时间3s～8s，负向电压-8v～-15v，负向电压时间8s～15s。

7.根据权利要求1所述的交变电场下制备图案化液态金属复合材料的方法，其特征在于：所述水基电解质溶液为浓度0.1-1m的碱溶液，所述交变电场的一个循环单元为正向电压3v～8v，正向电压时间3s～8s，负向电压-8v～-15v，负向电压时间8s～15s。

8.根据权利要求1所述的交变电场下制备图案化液态金属复合材料的方法，其特征在于：所述水基电解质溶液为浓度0.1-1m的盐溶液，所述交变电场的一个循环单元为正向电压8v～15v，正向电压时间1s～5s，负向电压-8v～-15v，负向电压时间1s～3s。

9.根据权利要求1所述的交变电场下制备图案化液态金属复合材料的方法，其特征在于：所述交流电包括方波型交流电、锯齿型交流电、脉冲型交流电、正交型交流电。

10.权利要求1～9任一项所述的交变电场下制备图案化液态金属复合材料的方法应用于柔性传感和电子电路。

技术总结
本发明公开了一种交变电场下制备图案化液态金属复合材料的方法。首先在基底表面覆盖图案化掩盖层，针对基底裸露区域上的含铜表面，采至用电化学方法，以含铜基底为工作电极，惰性电极为对电极，水基电解质溶液为导电液，通过滴加液态金属到裸露表面后施加交变电场，多次循环液态金属完全填充覆盖基底裸露的图案化区域，形成图案化液态金属层。本发明利用交变电场控制液态金属氧化‑还原的交替变化实现液态金属在基底材料上快速、充分、均匀的铺展和覆盖，形成的液态金属图案有强附着力，液态金属图案化方法可控性和重复性强。

技术研发人员：侯旭,樊漪,张文丽,刘特特,郑靖
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13