一种柔性可拉伸导电材料及其制作装置和方法与流程

本发明涉及导电材料制作技术领域，特别是涉及一种基于微螺旋结构的柔性可拉伸导电材料及其制作装置和方法。

背景技术

柔性可拉伸导电材料在机械拉伸或弯折状态下仍能保持稳定的导电特性，因而在柔性电子，智能穿戴，物联网等方面表现出巨大的应用前景，同时，其设计和制造技术也一直是新材料领域的研究热点。其中，利用可变形微结构来制造柔性导电材料是一个重要的研究领域，基本原理是利用可变形的微结构实现拉伸弯折变形的同时，保持稳定的导电性。目前而言，这些材料一般都是基于二维的可变形结构(如波纹形结构，s型结构，正弦结构等)，但这些二维的结构容易在曲率较大的地方(如波纹结构的波峰和波谷)产生应力集中现象而缩短材料的使用寿命；或是在反复的机械变形后，微结构与弹性基体发生分离而使材料失效。因此如何改变柔性导电材料的结构以避免上述问题成为本领域亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种柔性可拉伸导电材料及其制作装置和方法，本发明基于三维微螺旋结构制备性可拉伸导电材料，可有效地避免二维结构变形中的应力集中的问题，延长材料的使用寿命；以及解决在反复的机械变形后，微结构与弹性基体发生分离而使材料失效的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种柔性可拉伸导电材料，包括弹性基体，设于所述弹性基体内的柔性可拉伸导电网格，所述柔性可拉伸导电网格包括若干呈导电螺旋单体，若干所述导电螺旋单体按行列方式平行排列且首尾连接成一条导电体。

可选的，所述导电螺旋单体为螺距相等和外直径相等的螺旋线体，所述导电螺旋单体的表面材料为导电金属或导电合金。

可选的，所述弹性基体为浇注于所述柔性可拉伸导电网格周围的弹性高聚物。

可选的，所述导电螺旋单体的螺旋长度为200μm至500μm，外直径为20μm至50μm，线径2μm至8μm，螺距为20μm至50μm。

本发明还提供了一种如上所述的柔性可拉伸导电材料的制备装置，包括玻璃基板、金属掩模板、加热炉、成形模具；

所述金属掩模板设于所述玻璃基板上表面，所述金属掩模板平行设有多排条形沟槽，所述条形沟槽贯穿所述金属掩模板，所述条形沟槽与导电螺旋单体的形状相适配，每一条形沟槽用于排列若干所述导电螺旋单体；

所述加热炉用于焊接相邻所述导电螺旋单体的首尾；

所述成形模具用于浇注弹性基体。

可选的，所述装置还包括振动设备，所述玻璃基板和所述金属掩模板设于所述振动设备，所述振动设备用于带动所述玻璃基板和所述金属掩模板振动使所述导电螺旋单体填入所述条形沟槽内。

本发明还提供了一种柔性可拉伸导电材料的制备方法，利用上述的制备装置进行制备，所述方法包括：

将导电螺旋单体与有机溶剂的混合物滴加在固定安装于玻璃基板的金属掩模板上，开始低频往复震荡玻璃基板和金属掩模板的组合体，使所述导电螺旋单体填满所述金属掩模板的条形沟槽；

将填满所述导电螺旋单体的组合体放置于加热炉中进行热处理焊接，使每一所述条形沟槽内的相邻的所述导电螺旋单体首尾焊接在一起，形成导电螺旋束；冷却至室温；

从所述玻璃基板上取下所述金属掩模板，取出所述导电螺旋束放入成形模具中压实；

向压实后的所述成形模具中浇注液态的弹性基体，抽真空5-15分钟；

加热固化成形，脱模，得到柔性可拉伸导电材料。

可选的，所述“低频往复震荡”的振动方向是垂直于所述条形沟槽的长度方向，振动的频率为5hz，振幅为20mm-30mm。

可选的，所述将填满所述导电螺旋单体的组合体放置于加热炉中进行热处理焊接具体包括：

将加热炉内的温度从室温升到150℃，再以10℃/分钟的速度升到200℃-400℃，保温1h，最后将加热炉内的温度冷却至室温，整个过程一直通氮气保护。

可选的，所述导电螺旋单体的螺旋长度为200μm至500μm，外直径为20μm至50μm，线径2μm至8μm，螺距为20μm至50μm；所述条形沟槽的宽度为150μm，所述条形沟槽的长度为2cm-50cm，所述金属掩膜板的厚度为150μm。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

1、柔性可拉伸导电材料结构新颖。本发明提供的柔性可拉伸导电材料利用三维导电螺旋单体作为基本变形单元，并对导电螺旋单体进行群体有序排布和热处理点焊，制造新型的柔性可拉伸的导电材料。该材料能够实现机械拉伸变形或弯折的同时，保持稳定的导电性。

2、制作方法简单高效，工艺性好。本发明提供的柔性可拉伸导电材料的制作装置和方法利用了金属掩膜板上的多个条形沟槽对导电螺旋单体进行空间约束限位，有效地实现了三维复杂微螺旋结构的群体有序排布，并通过简单的热处理工艺，实现了导电螺旋单体的焊接成网。

3、可大面积、批量化成形制造。通过改变金属掩膜板、条形沟槽和成形模具的尺寸参数，可以对材料的成形尺寸进行调节，实现大面积批量化制造。该制作方法为实现微螺旋的群体有序排布和微纳颗粒的焊接提供了途径，该材料有望应用于柔性电子、智能穿戴、无线传输和新能源等热门领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的柔性可拉伸导电材料结构示意图；

图2为图1中a-a的剖视图；

图3为图1中b-b的剖视图；

图4为导电螺旋单体的结构示意图；

图5为金属掩膜板的结构示意图；

图6为图5中c-c的剖视图；

图7为导电螺旋束的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的柔性可拉伸导电材料的制作方法流程图。

其中，0-玻璃基板，1-金属掩膜板，2-条形沟槽，3-导电螺旋单体与有机溶剂的混合物，4-导电螺旋单体，5-导电螺旋束，6-成形模具，7-柔性可拉伸导电网络，8-液态高聚物，9-柔性可拉伸导电材料，10-弹性基体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-7所示，本实施例提供的基于微螺旋结构的柔性可拉伸导电材料9包括柔性可拉伸导电网络7和弹性基体10，其中柔性可拉伸导电网络7在弹性基体10内部。所述柔性可拉伸导电网络7是由有序的导电螺旋单体4(见图4所示)构成。导电螺旋单体4首尾相接形成定向的有序结构，而且相邻的导电螺旋单体4首尾焊接在一起，形成相互交织的导电螺旋束5(见图7所示)，将多个导电螺旋束5压实后形成柔性可拉伸导电网络7。该柔性可拉伸导电材料利用了三维的微螺旋的可拉伸结构，实现了材料在机械变形时仍能保持稳定导电性的目标。

所述导电螺旋单体4(见图3所示)具有三维的螺旋形结构，其为螺距相等和外直径相等的螺旋线体，所述导电螺旋单体的表面材料为导电金属或导电合金。在本实施例中，可选的导电螺旋单体4的长度为200μm至500μm，外直径为20μm至50μm，线径2μm至8μm，螺距为20μm至50μm。导电螺旋单体4表面的材质可以是银，铜，镍等。拉伸状态下，相比二维的平面可拉伸结构而言，这种三维的微螺旋结构受力分布更均匀，可以有效避免应力集中现象，有利于提升材料的寿命。

所述弹性基体10完全包裹柔性可拉伸导电网络7，该弹性基体10的材质可以是橡胶，聚氨酯，聚二甲基硅氧烷等弹性高聚物。

本实施例还提供了制作上述柔性可拉伸导电材料的装置，具体包括：玻璃基板、金属掩模板、加热炉、成形模具；

所述金属掩模板设于所述玻璃基板上表面，所述金属掩模板平行设有多排条形沟槽，所述条形沟槽贯穿所述金属掩模板，所述条形沟槽与导电螺旋单体的形状相适配，每一条形沟槽用于排列若干所述导电螺旋单体；

所述加热炉用于焊接相邻所述导电螺旋单体的首尾；

所述成形模具用于浇注弹性基体。

在本实施例中，为了实现震荡的均匀有序，所述装置还包括振动设备，所述玻璃基板和所述金属掩模板设于所述振动设备，所述振动设备用于带动所述玻璃基板和所述金属掩模板振动使所述导电螺旋单体填入所述条形沟槽内。

如图8所示，本实施例还提供了基于导电螺旋单体的柔性可拉伸导电材料的制作方法，具体步骤如下：

步骤一，将导电螺旋单体与有机溶剂的混合物3滴加在固定安装于玻璃基板0的金属掩模板1上，开始低频往复震荡玻璃基板0和金属掩模板1的组合体，使所述导电螺旋单体4填满所述金属掩模板1的条形沟槽2；利用条形沟槽2进行空间约束限位，实现导电螺旋单体4的定向有序排布。该排布方法能高效地实现微螺旋的大面积群体定向排布。

在本实施例中，上述的金属掩膜板1上平行分布着通透的条形沟槽2，根据待制备的柔性可拉伸导电网格中导电螺旋单元4的长度和外直径尺寸范围，将条形沟槽2的宽度确定为150μm，长度在2cm-50cm之间，相邻两个条形沟槽之间的间距为2mm-5mm；金属掩膜板1的厚度为150μm，一块金属掩膜板上平行分布的条形沟槽数量取决于金属掩膜板的整体尺寸，金属掩膜板1材质为不锈钢，铜等金属或合金。

上述的有机溶剂可以是无水乙醇或丙酮等有机溶剂；

上述的所述“低频往复震荡”的振动方向是垂直于所述条形沟槽的长度方向，振动的频率为5hz，振幅为20mm-30mm，不断震荡组合体，直至导电螺旋单体4填满条形沟槽2。提高了排布的效率和均匀性。

步骤二，将填满所述导电螺旋单体4的组合体放置于加热炉中进行热处理焊接，使每一所述条形沟槽2内的相邻的所述导电螺旋单体4首尾焊接在一起，形成导电螺旋束5；冷却至室温。

其中的“热处理焊接”，是将加热炉内的温度从室温升到150℃，再以10℃/分钟的速度升到200℃-400℃，保温1h，最后将加热炉内的温度冷却至室温，整个过程一直通氮气保护。热处理焊接原理是导电螺旋单体4表面的金属在高温下熔化重结晶，使相邻的导电螺旋单体4焊接在一起，从而将分散的导电螺旋单体4焊连成整体的导电螺旋束5，该焊接方法对设备要求低，简单易操作，利于大面积制造。

步骤三，从所述玻璃基板0上取下所述金属掩模板1，取出所述导电螺旋束5放入成形模具中压实；

向压实后的所述成形模具中浇注液态高聚物8，抽真空5-15分钟；

加热固化成形，脱模，得到柔性可拉伸导电材料9；

上述导电螺旋束5由定向排布的导电螺旋单体4首尾相连焊接而成，其长度由金属掩膜板1上的条形沟槽2的长度决定。

上述的液态高聚物8可以是橡胶，聚氨酯，聚二甲基硅氧烷等液态弹性高聚物，通过加热能够固化。

所述的“加热固化成形”，与液态高聚物8的固化条件一致。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。