构建三维中空结构的微加工方法以及柔性结构体的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种构建三维中空结构的微加工方法。该方法利用液态镓基合金在碱溶液中的“吃”铝特性，以及铝易与碱溶液发生反应，产生气体的特性，巧妙地用铝构建三维结构，将其固定在基体中，然后与包含液态镓基合金的碱溶液接触，使铝材发生反应而溶解，形成所需的三维中空结构。该方法简单、成本低廉；利用该方法制得三维中空结构后，进一步注入液态导电材料后，可得到液态导电材料基柔性结构体，是一种简单易行的制备柔性结构体的方法，在柔性电子技术中具有潜在的应用价值。

Fabrication of three-dimensional hollow structure and fabrication of flexible structure

The invention provides a micromachining method for constructing a three-dimensional hollow structure. This method makes use of the \eat\ aluminum characteristic of liquid gallium-based alloy in alkaline solution and the characteristic that aluminum reacts easily with alkaline solution to produce gas. Three dimensional hollow structure. The method is simple and low cost, and it can be used to fabricate three-dimensional hollow structures, and then injected into liquid conductive materials to obtain flexible structures based on liquid conductive materials.

【技术实现步骤摘要】
构建三维中空结构的微加工方法以及柔性结构体的制备方法
本专利技术属于微加工
与柔性电子
，尤其涉及一种构建三维中空结构的微加工方法以及利用该结构制备柔性结构体的方法。
技术介绍
中空材料可以在保证材料强度的前提下减轻重量，在许多领域，例如航空航天领域等具有潜在的应用价值。目前最常用的三维复杂中空结构或通道的制备方法主要有两种：一种是光刻电铸注塑技术(LIGA)，此方法对微结构的横向形状没有限制，但可制作高度最高只有数百微米至一千微米，且工艺成本较高；另一种是3D打印技术，此方法不需要传统的刀具、夹具、机床或任何模具，就能自动、快速、直接和比较精确地把计算机的任何形状的三维CAD图形生成实物产品，但此方法中使用的材料非常有限，并且成本高昂，适用的范围较窄。
技术实现思路
针对上述技术现状，本专利技术旨在提供一种构建三维中空结构或三维通道的微加工方法，该方法简单易行、成本低廉。为了实现上述技术目的，本专利技术利用液态镓基合金在碱溶液中的“吃”铝特性，即一种Rebinder效应，镓基合金能够破坏铝表面氧化膜，破坏铝的化学键，使固体铝形成铝粉；同时，结合铝易与碱溶液发生反应，产生气体的特性，得到本专利技术的如下技术方案：一种构建三维中空结构的方法，包括如下步骤：首先，用铝构建所需的三维结构，将该三维结构固化在基体中，并且其端部从基体伸出；然后，将包含所述三维结构的基体置于含有液态镓基合金的碱溶液中，由于铝易氧化，因此该三维结构表面易形成氧化膜，液态镓基合金在碱溶液中发生“吃”铝反应，铝表面氧化膜被破坏，铝便与碱溶液发生反应并产生气体，该气体形成液态金属“吃”铝反应自发进行的驱动力，促使反应自发进行，铝逐渐减少，因此经过一定时间后，基体中的铝完全反应掉，在基体中形成三维中空结构或三维通道。考虑到反应后的生成物易堵塞形成的中空结构或通道而阻止溶液进入与铝继续反应，作为优选，反应过程在超声设备中进行，利用超声作用促进反应的生成物溶解在碱溶液中，同时也可以促使反应的生成物排出通道。所述基体不与液态镓基合金发生反应，并且不与碱溶液发生反应，其材料不限，包括除铝之外的其他金属材料、有机材料以及无机非金属材料等。作为优选，所述的基体材料为第一弹性材料，具有可变形的特点。所述第一弹性材料包括但不限于树脂、苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、橡胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、水凝胶、聚氨酯中等的一种或几种。当所述基体为弹性材料时，作为进一步优选，在反应过程中对弹性基体施加作用使其发生变形，从而使三维结构与弹性基体的界面处出现间隙，利于碱溶液和液态金属的渗入，从而更好地促进反应进行。所述的液态镓基合金是在室温下为液态的金属导电材料，包括但不限于镓铟合金、镓铟锡合金，以及过渡金属、固态非金属元素的一种或多种掺杂的镓铟合金、镓铟锡合金等。作为优选，铝构建的三维结构伸出所述基体2cm-5cm；作为优选，铝构建的三维结构中，铝的横截面直径为0.5mm-10mm。所述碱溶液不限，包括NaOH溶液、KOH溶液等。作为优选，所述NaOH溶液的质量百分含量小于50％，进一步优选为小于30％，更优选为小于10％，最优选为0.1％-5％。作为优选，所述KOH溶液的质量百分含量小于50％，进一步优选为小于30％，更优选为小于10％，最优选为0.1％-5％。当所述三维中空结构或者通道形成之后，作为优选，采用冲洗剂将所述三维中空结构或者通道进行冲洗。所述冲洗剂不限，包括自来水、纯水、矿泉水、酸溶液、碱溶液、海水等中的一种或多种。其中，酸溶液优选为质量百分含量为1％-50％的硫酸、盐酸、甲酸、醋酸、乙二酸、柠檬酸等溶液中的一种或多种；碱溶液优选为质量百分含量为1％N-50％的NaOH溶液或KOH溶液。当所述基体为第一弹性材料时，在得到的三维中空结构或者通道中注入液态导电材料，利用液态导电材料的高流动性使其填充在该三维中空结构或者通道中，然后封装开口端，即可得到液态导电材料基柔性结构体。另外，还可以在得到的三维中空结构或者通道中注入液态导电材料与熔融的第二弹性材料的混合物，使其填充在该三维中空结构或者通道中，然后固化其中的第二弹性体，即可得到液态导电材料基柔性结构体。该液态导电材料基柔性结构体具有所述三维中空结构所示的结构，可形成如电路、电极、电容等功能结构。所述液态导电材料不限，可以是液态金属，即，在室温下具有良好的导电性和流动性的金属导电材料，包括但不限于镓基合金，过渡族金属、固态非金属元素的一种或几种掺杂的镓基合金；也可以是离子液体。所述第二弹性材料具有可变形的特点，包括但不限于树脂、苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、橡胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、水凝胶、聚氨酯中等的一种或几种。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1、利用液态镓基合金在碱性溶液中的“吃”铝特性，以及铝易与碱溶液发生反应，产生气体的特性，巧妙地用铝构建三维结构，将其固定在基体中，然后与包含液态镓基合金的碱溶液接触，使铝材发生反应而溶解，形成所需的三维中空结构或通道；2、该方法简单、成本低廉；与光刻电铸注塑技术(LIGA)相比，不局限于平面结构，可以构建三维复杂结构；与3D打印技术相比，不局限于材料，材料选择广泛；3、利用该方法制得三维中空结构或通道后，进一步注入液态导电材料后，可利用液态导电材料的高流动性得到液态导电材料基柔性结构体，是一种简单易行的制备柔性结构体的方法，在柔性电子技术中具有潜在的应用价值。附图说明图1是本专利技术实施例中构建三维中空结构的方法示意图；图2是本专利技术实施例中制作柔性电子器件的方法示意图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本专利技术的理解，而对其不起任何限定作用。图1-2中的附图标记是：1-PDMS弹性基体，2-铝构建的弹簧结构体，3-包含GaInSn液态金属的NaOH溶液，4-烧杯，5-注射器，6-GaInSn液态金属，7-反应后形成的弹簧状的中空结构。本实施例中，三维中空结构呈弹簧状，其固化在PDMS弹性基体中。该三维中空结构的制备方法如下：(1)如图1所示，用纯铝构建弹簧结构体2；(2)将PDMS弹性基体材料倒入模具内，并将铝构建的弹簧结构体2置于该PDMS弹性基体材料中，并且铝构建的弹簧结构体2的长度超过该PDMS弹性基体材料的长度，因此弹簧结构体2的端部从该PDMS弹性基体材料中伸出；通过加热固化，将铝构建的弹簧结构体2固化到PDMS弹性基体1中；(3)烧杯4中盛有液态镓铟锡合金与质量百分含量为0.2％的NaOH水溶液的混合溶液，烧杯4置于超声装置中；将内含铝构建的弹簧结构体2的PDMS弹性基体1置于该混合溶液中，铝构建的弹簧结构体2中伸出PDMS弹性基体1的部分与该混合溶液直接接触，利用液态镓基合金在碱溶液中“吃”铝的特性，铝表面氧化膜被破坏掉，铝便会与该碱溶液发生反应而溶解，并产生气体，气体形成该液态金属“吃”铝反应自发继续进行的驱动力；同时，在超声的作用下促使反应后的生成物排出形成的中空结构中，防止生成物堵塞形成的中空结构，阻止该碱溶液进入与铝继续反应；另外，利用机械设备不断使该PDMS弹性基体1变形，从而使铝与该PDMS弹性基体1的界面处出现间隙，利于NaOH溶液和液态金属的渗入，从而更好地本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.构建三维中空结构的微加工方法，其特征在于：包括如下步骤：首先，用铝构建三维结构，将所述三维结构固化在基体中，并且其端部从基体伸出；然后，将包含所述三维结构的基体置于含有液态镓基合金的碱溶液中，经过一定时间后，基体中的铝完全反应，基体中形成三维中空结构或三维通道。

【技术特征摘要】
1.构建三维中空结构的微加工方法，其特征在于：包括如下步骤：首先，用铝构建三维结构，将所述三维结构固化在基体中，并且其端部从基体伸出；然后，将包含所述三维结构的基体置于含有液态镓基合金的碱溶液中，经过一定时间后，基体中的铝完全反应，基体中形成三维中空结构或三维通道。2.如权利要求1所述的构建三维中空结构的微加工方法，其特征在于，反应过程在超声作用下进行。3.如权利要求1所述的构建三维中空结构的微加工方法，其特征在于，所述基体材料包括除铝之外的金属材料、有机材料和无机非金属材料。4.如权利要求1所述的构建三维中空结构的微加工方法，其特征在于，所述的基体材料为第一弹性材料；作为优选，所述第一弹性材料包括树脂、苯乙烯嵌段共聚物、橡胶、聚二甲基硅氧烷、水凝胶、聚氨酯中的一种或几种。5.如权利要求1所述的构建三维中空结构的微加工方法，其特征在于，当所述基体为第一弹性材料时，在反应过程中对弹性基体施加作用使其发生变形。6.如权利要求1所述的构建三维中空结构的微加工方法，其特征在于，所述的液态镓基合金包括镓铟合金、镓铟锡合金，以及过渡金属、固态非金属元素的一种或多种掺杂的镓铟合金、镓铟锡合金。7.如权利要求1所述的构建三维中空结构的微加工方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈斌，龙婷玉，尚杰，刘宜伟，李润伟，郑亚楠，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33