三明治结构柔性抗干扰应变兼温度传感材料及其制备方法

本发明属于柔性电子，具体涉及三明治结构柔性抗干扰应变兼温度传感材料及其制备方法。

背景技术：

1、柔性电子技术是在柔性基底上构筑电子器件并形成电路的技术，在变形条件下仍能保证其导电性能不受影响，在传感、储能、电子医疗、人机交互等方面有巨大的应用前景。尤其是柔性可穿戴器件，可将外界刺激比如压力、温度等转换为电信号，在传感器及电子皮肤方面的应用受到了广泛关注。“柔性基底+电子器件”的方式可赋予电子器件一定的承受机械形变的能力，但是电子器件本身通常具有刚而硬的特点，并不能实现完全的柔性且其集成度也会受限。因此从材料角度出发，发展高性能柔性导电材料是实现电子器件智能化、柔性化、高度集成化的基础。高分子材料与导电介质的结合既可获得高分子独特的可加工性、力学性能，也具备了导电介质导电、导热的特性。

2、首先，在导电介质的选择方面。刚性导电介质变形能力与柔性基体材料不匹配，在多次变形过程中二者容易发生不可逆相对滑动，于界面结合处形成内应力而造成内部缺陷。液态金属（lm）是一类低熔点的金属单质或合金，可在室温下形成液态共晶，兼具流体和金属两方面的性质，是现有材料中可变形性和导电性的最佳结合体。作为功能性流动填料，与柔性高分子功能材料相结合，是潜在的柔性电子器件。近年来lm与高分子材料的复合在柔性电子领域得到了广泛关注。

3、其次，在高分子基体材料的选择方面。与lm结合可供选择的高分子基体材料种类多样，但考虑到柔性与仿生的目的，以选择聚二甲基硅氧烷（pdms）居多。pdms具有优良的耐高低温和透气性、化学稳定性好、表面张力低、弹性模量接近人体皮肤，是制备柔性可穿戴器件的理想基体材料。

4、第三，在复合方法方面。现有技术中有通过光刻等方法预先在高分子基体上制备微通道，向其中注入lm来制备电阻和电容传感器。然而这种方法成本较高，且仅基于微孔道的形变限制了材料的力学性质和电学感应能力；由于lm的电迁移性，使得该法难以应用于导电回路；lm与微通道之间较大的界面张力也不利于lm的注入。将lm与粘流态高分子材料混合再固化是较简单有效的方法，但该法容易出现lm“漏液”的现象，从而造成电性能不稳定、抗干扰能力不足。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种三明治结构柔性抗干扰应变兼温度传感材料，价格低廉，有效避免了液态金属“漏液”导致的电性能不稳定、抗干扰能力不足的问题。本发明还提供了科学合理、操作便捷的制备方法。

2、本发明所述的三明治结构柔性抗干扰应变兼温度传感材料，包括底、中、上三层和两个电极，底层为纯pdms保护层，中层为pdms/液态金属复合物，上层为纯pdms保护层；金属箔作为电极，金属箔一部分固定于底层和中层之间，一部分裸露在外用于与检测装置相连。

3、所述材料总厚度为1.9~2.1mm，其中，上层为0.2~0.6mm，中层为0.7~1.7mm，底层为0.2~0.6mm。

4、中层为液态金属以液滴形态在pdms中沉积聚集形成，液态金属形成导电通路且与金属箔相连接。

5、液态金属为镓铟锡合金、镓铟合金、镓锌合金和纯镓金属中的一种或多种。

6、金属箔为铜箔和铝箔中的一种或多种。

7、本发明所述的三明治结构柔性抗干扰应变兼温度传感材料的制备方法，包括以下步骤：

8、（1）将pdms预聚物和pdms固化剂混合均匀，浇筑在带有凹槽的模具中，浇筑厚度0.2~0.6mm，排出气泡后在80~120℃下加热固化10~40min，制得底层，不要脱模；

9、（2）将金属箔放置于底层，并使金属箔一部分与底层表面相接触，另一部分裸露在外；

10、（3）将液态金属与pdms预聚物以质量比（0.4~1）:1混合，得到悬浊液，将pdms固化剂与悬浊液混合得到混合液；

11、（4）将混合液浇筑在步骤（2）的模具中，浇筑厚度1.3~1.9mm，使混合液在底层上形成液层，排出气泡后，在80~120℃下加热固化10~40min，脱模即得。

12、在固化过程中，温度高导致室温下粘稠的液态金属、pdms预聚物和pdms固化剂混合液流动性变强，由于液态金属小液滴比pdms预聚物和pdms固化剂的密度大，在重力作用下产生分层，液态金属小液滴在pdms中发生沉积并相接触形成导电通路，pdms与分布其间的液态金属小液滴共同构成三明治结构的中层，且导电通路中的一部分液态金属小液滴沉降在金属箔上，使导电通路与金属箔电极相连；液态金属沉降后，上层形成纯pdms层。

13、步骤（1）和（3）中，pdms预聚物与pdms固化剂的质量比为10:1。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

15、1、采用直接物理混合法将液态金属与pdms预聚物混合，操作便捷，价格低廉；

16、2、采用逐层固化和重力辅助方法制备出“三明治”结构的柔性传感材料，将液态金属小液滴夹在中间层，液态金属小液滴由pdms固定在中间层，可以避免液态金属“漏液”导致的电性能不稳定、抗干扰能力不足的问题；

17、3、将金属箔电极一部分通过pdms固化而固定在底层和中层之间，液态金属小液滴沉降在金属箔上，金属箔另一部分裸漏在外，方便与测试仪器相连而不破坏材料。

技术特征：

1.一种三明治结构柔性抗干扰应变兼温度传感材料，其特征在于，包括底、中、上三层和两个电极，底层为纯pdms保护层，中层为pdms/液态金属复合物，上层为纯pdms保护层；金属箔作为电极，金属箔一部分固定于底层和中层之间，一部分裸露在外用于与检测装置相连。

2.根据权利要求1所述的三明治结构柔性抗干扰应变兼温度传感材料，其特征在于，所述材料总厚度为1.9~2.1mm，其中，上层为0.2~0.6mm，中层为0.7~1.7mm，底层为0.2~0.6mm。

3.根据权利要求1所述的三明治结构柔性抗干扰应变兼温度传感材料，其特征在于，中层为液态金属以液滴形态在pdms中沉积聚集形成，液态金属形成导电通路且与金属箔相连接。

4.根据权利要求1所述的三明治结构柔性抗干扰应变兼温度传感材料，其特征在于，液态金属为镓铟锡合金、镓铟合金、镓锌合金和纯镓金属中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的三明治结构柔性抗干扰应变兼温度传感材料，其特征在于，金属箔为铜箔和铝箔中的一种或多种。

6.一种权利要求1~5任意一项所述的三明治结构柔性抗干扰应变兼温度传感材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的三明治结构柔性抗干扰应变兼温度传感材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，浇筑厚度为0.2~0.6mm，固化温度为80~120℃，固化时间为10~40min。

8.根据权利要求6所述的三明治结构柔性抗干扰应变兼温度传感材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，液态金属与pdms预聚物的质量比为（0.4~1）:1。

9.根据权利要求6所述的三明治结构柔性抗干扰应变兼温度传感材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）和（3）中，pdms预聚物与pdms固化剂的质量比为10:1。

10.根据权利要求1所述的三明治结构柔性抗干扰应变兼温度传感材料的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，浇筑厚度为1.3~1.9mm，固化温度为80~120℃，固化时间为10~40min。

技术总结
本发明属于柔性电子技术领域，具体涉及三明治结构柔性抗干扰应变兼温度传感材料及其制备方法。所述的三明治结构柔性抗干扰应变兼温度传感材料，包括底、中、上三层和两个电极，底层为纯PDMS保护层，中层为PDMS/液态金属复合物，上层为纯PDMS保护层；金属箔作为电极，金属箔一部分固定于底层和中层之间，一部分裸露在外用于与检测装置相连。价格低廉，有效避免了液态金属“漏液”导致的电性能不稳定、抗干扰能力不足的问题。本发明还提供了科学合理、操作便捷的制备方法。

技术研发人员：翟倩倩,张荣敏,赵荻,卢志华,王静,王伟娜
受保护的技术使用者：济宁学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15