可拉伸多芯导电元件及其制备方法、可拉伸电缆与可拉伸电容传感器技术

本发明专利技术提供一种可拉伸多芯导电元件，包括内层可拉伸导线与外层可拉伸导线；内层可拉伸导线由一个以上彼此绝缘可拉伸导线单元组成；每个可拉伸导线单元以液态金属作为中心导体，其外围包覆弹性绝缘层；并且，各可拉伸导线单元沿着长度方向并行排列在一起或者套接在一起；外层可拉伸导线由弹性导电材料与弹性绝缘材料组成；弹性导电材料包覆在内层可拉伸导线的外围形成屏蔽层，弹性绝缘材料包覆在屏蔽层外围形成保护层。该可拉伸多芯导电元件结构简单，易制作，具有高电导性与高拉伸性，可作为可拉伸电缆与可拉伸电容传感器，具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
可拉伸多芯导电元件及其制备方法、可拉伸电缆与可拉伸电容传感器
本专利技术涉及柔性电子
，特别涉及可拉伸多芯导电元件及其制备方法、可拉伸电缆与可拉伸电容传感器。
技术介绍
随着物联网与可穿戴技术的发展，柔弹性、可伸缩器件是未来电子器件发展的主流趋势。其中，弹性导线、弹性传感器是柔弹性器件发展的关键单元，近年来受到人们的广泛关注，尤其用于信号传输的同轴电缆、信号收集的传感器，对于电子产品的小型化、便携性和舒适性非常重要。目前，同轴电缆是由一对导体组成，按“同轴”形式构成线对。同轴电缆的中心导体层是单根铜芯导线，再裹一层绝缘材料作为绝缘层，外覆密集金属网状导体作为屏蔽层，最外面是一层起保护性作用的塑料外套，但是中心导体、绝缘层、屏蔽层和保护层不具有高弹性，无法实现拉伸性能。弹性导线主要有两种方式制备形成，一种是由多股铜线缠绕成螺旋结构，在拉伸时螺旋结构被拉直，从而保持导电的连续性，但是这种螺旋结构会占有比较大空间，不利于器件的集成化和小型化，再者，铜线的刚度比较大，在穿戴中会有比较大的异物感；另一种是由导电纤维线编织成具有拉伸特点的面料，但是，这种材料的导电性较差，而且稳定性较差，不耐腐蚀，不耐水洗。此外，弹性导线都没有考虑实际应用中存在电磁信号的干扰，未能对其进行保护。弹性电容型传感器一般是电极层、介电层、电极层的三明治结构，主要是利用弹性导电材料和弹性介电材料弹性的特点，在拉伸时介电层的厚度变小，电极层的面积变大，从而电容增大。目前弹性电容型传感器主要以平面型结构为主，阵列式结构是将单个传感器沿着XY方向上进行扩展，可以实现平面内受到刺激点的准确定位。目前的弹性电容型传感器虽然对拉伸形变有很好的响应，但是在弯曲形变时同样有响应，所以当传感器应用在同时有弯曲和拉伸的环境中时，传感器无法获得精准的拉伸变化，即拉伸形变的信号会受到弯曲形变的干扰。
技术实现思路
针对上述技术现状，本专利技术提供一种可拉伸同轴导电元件，其结构简单，具有高导电性与高弹性。本专利技术提供的技术方案为：一种可拉伸多芯导电元件，其特征是：包括内层可拉伸导线与外层可拉伸导线；内层可拉伸导线由一个以上可拉伸导线单元组成；可拉伸导线单元彼此绝缘；每个可拉伸导线单元以液态金属作为中心导体，其外围包覆弹性绝缘层；并且，各可拉伸导线单元沿着长度方向并行排列在一起或者套接在一起；外层可拉伸导线由弹性导电材料与弹性绝缘材料组成；弹性导电材料包覆在内层可拉伸导线的外围形成弹性屏蔽层，弹性绝缘材料包覆在弹性屏蔽层外围形成弹性保护层。所述套接在一起是指一个可拉伸导线单元的中心导体套设在另一个或者几个可拉伸导线单元的外围，形成液态金属包覆层。作为一种实现方式，弹性屏蔽层全包覆在内层可拉伸导线的外围，即，内层可拉伸导线的外围均被弹性屏蔽层覆盖。作为另一种实现方式，弹性屏蔽层部分包覆在内层可拉伸导线的外围，即，内层可拉伸导线的外围中一部分覆盖着弹性屏蔽层。作为优选，弹性屏蔽层在内层可拉伸导线的外围形成一定图案，以满足对功能器件的设计。所述图案不限，包括柱状、间歇式柱状、网格、三角波、正弦波等图案中一种或多种。所述弹性绝缘层由弹性体构成。所述弹性体是指在外力作用下可以发生形变，撤去外力后具有一定的形变恢复能力的非导体材料，包括但不限于弹性织物、乳胶、硅胶、聚氨酯(PU)、聚乳酸(PLA)、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氧化乙烯(POE)、脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)、天然橡胶、合成橡胶等弹性材料或以它们为基底掺杂炭黑、白炭黑、碳纳米管、银纳米线、银包镍颗粒等复合材料等材料中的一种或多种。各可拉伸导线的弹性绝缘层材料可以相同，也可以不同。所述液态金属是指在室温下为液态的金属材料，包括但不限于汞、镓铟合金、镓铟锡合金，或者过渡族金属元素、固态非金属元素的一种或几种掺杂的镓铟合金、镓铟锡合金。各可拉伸导线中的液态金属材料可以相同，也可以不同。所述弹性屏蔽层材料是指具有一定电场屏蔽作用的弹性材料，包括但不限于导电织物、金属纳米材料、石墨烯、碳纳米管、石墨、液态金属、导电胶、导电凝胶、导电银浆等材料中的一种或多种，以及它们中一种或多种与乳胶、硅胶、聚氨酯(PU)、聚乳酸(PLA)、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氧化乙烯(POE)、脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)、天然橡胶、合成橡胶等弹性材料形成的复合材料。金属纳米材料包括但不限于金、银、铜、铝、锌等。导电织物包括但不限于银丝、铜丝、导电纤维等编织而成的导电材料。本专利技术的可拉伸多芯线电缆的制备方法可以如下：(1)将液态金属填充到弹性绝缘管中，形成弹性绝缘层包覆中心导体的可拉伸导线单元；(2)重复步骤(1)多次，得到若干可拉伸导线单元；(3)将步骤(2)得到的可拉伸导线单元并行排列和/或者套接在一起，使每个中心导体沿着长度方向的中心轴互相平行；(4)在步骤(3)处理后的可拉伸导线的外围包覆弹性导电材料作为弹性屏蔽层，在弹性屏蔽层外围包覆弹性绝缘材料作为弹性保护层。所述弹性绝缘管是指在外力作用下可以发生形变，撤去外力后具有一定的形变恢复能力的绝缘管状材料，包括但不限于乳胶、硅胶、聚氨酯(PU)、聚乳酸(PLA)、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氧化乙烯(POE)、脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)、天然橡胶、合成橡胶等弹性材料或以它们为基底掺杂炭黑、白炭黑、碳纳米管、银纳米线、银包镍颗粒等复合材料等材料中的一种或多种。作为优选，所述的弹性绝缘管采用硅胶管。所述步骤(1)中，将第一液态金属填充到弹性绝缘管中的方法不限，包括注射、真空/负压吸入、3D打印、挤出等方法中一种或多种。作为优选，采用注射的方法。所述步骤(4)中，包覆方法不限，包括编织、刮涂、涂覆、共挤出、喷涂、热压等方法中的一种或多种。作为优选，采用编织的方式实现包覆。作为优选，所述步骤(4)中，弹性屏蔽层在可拉伸导线的外围形成一定图案，以满足对功能器件的设计。所述图案不限，包括柱状、间歇式柱状、网格、三角波、正弦波等图案中一种或多种。作为进一步优选，以可拉伸多芯导电元件的长度方向为轴，所述图案呈轴对称结构。本专利技术采用若干由液态金属与包覆在液态金属外围的弹性绝缘层构成的可拉伸导线单元作为内层，在其外围包覆弹性屏蔽层，在弹性屏蔽层外围包覆弹性保护层，构成可拉伸多芯导电元件，具有如下优点：(1)液态金属具有优异的导电性，其电导率达到2×106S/m；同时，液态金属具有优异的“柔性”，作为导电体不会限制弹性体的拉伸性能，因此本专利技术的导线元件兼具高电导性与高拉伸性，其电导率可达到3.4×106S/m，拉伸倍率可高达3200％。(2)本专利技术的导线元件可作为多芯线缆使用，此时，各可拉伸导线单元的两端都接入电路，用于传输电信号，具有高电导率、高拉伸性与高稳定性，并且具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可拉伸多芯导电元件，其特征是：包括内层可拉伸导线与外层可拉伸导线；/n内层可拉伸导线由一个以上可拉伸导线单元组成；可拉伸导线单元彼此绝缘；每个可拉伸导线单元以液态金属作为中心导体，其外围包覆弹性绝缘层；并且，各可拉伸导线单元沿着长度方向并行排列在一起或者套接在一起；/n外层可拉伸导线由弹性导电材料与弹性绝缘材料组成；弹性导电材料包覆在内层可拉伸导线的外围形成弹性屏蔽层，弹性绝缘材料包覆在弹性屏蔽层外围形成弹性保护层。/n

【技术特征摘要】
1.一种可拉伸多芯导电元件，其特征是：包括内层可拉伸导线与外层可拉伸导线；
内层可拉伸导线由一个以上可拉伸导线单元组成；可拉伸导线单元彼此绝缘；每个可拉伸导线单元以液态金属作为中心导体，其外围包覆弹性绝缘层；并且，各可拉伸导线单元沿着长度方向并行排列在一起或者套接在一起；
外层可拉伸导线由弹性导电材料与弹性绝缘材料组成；弹性导电材料包覆在内层可拉伸导线的外围形成弹性屏蔽层，弹性绝缘材料包覆在弹性屏蔽层外围形成弹性保护层。


2.如权利要求1所述的可拉伸多芯导电元件，其特征是：弹性屏蔽层全包覆或者部分包覆在内层可拉伸导线的外围；
作为优选，弹性屏蔽层在内层可拉伸导线的外围形成一定图案；
作为优选，所述图案包括柱状、间歇式柱状、网格、三角波、正弦波中一种或多种。


3.如权利要求1所述的可拉伸多芯导电元件，其特征是：所述弹性绝缘层由弹性体构成，所述弹性体包括弹性织物、乳胶、硅胶、聚氨酯、聚乳酸、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、聚二甲基硅氧烷、聚氧化乙烯、脂肪族芳香族无规共聚酯、天然橡胶、合成橡胶等弹性材料或以它们为基底掺杂炭黑、白炭黑、碳纳米管、银纳米线、银包镍颗粒中的一种或多种。


4.如权利要求1所述的可拉伸多芯导电元件，其特征是：所述液态金属包括汞、镓铟合金、镓铟锡合金，或者过渡族金属元素、固态非金属元素的一种或几种掺杂的镓铟合金、镓铟锡合金。


5.如权利要求1所述的可拉伸多芯导电元件，其特征是：所述弹性屏蔽层材料包括导电织物、金属纳米材料、石墨烯、碳纳米管、石墨、液态金属、导电胶、导电凝胶、导电银浆等材料中的一种或多种，以及它们中一种或多种与乳胶、硅胶、聚氨酯、聚乳酸、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、聚二甲基硅氧烷、聚氧化乙烯、脂肪族芳香族无规共聚酯、天然橡胶、合成橡胶等弹性材料形成的复合材料；
作为优选，金属纳米材料包括金、银、铜、铝、锌中的一种或者几种；
作为优选，导电织物包括银丝、铜丝、导电纤维编织而成的导电材料。


6.如权利要求1至5中任一权利要求所述的可拉伸多芯线电缆的制备方法，其特征是：包括如下步骤：

【专利技术属性】
技术研发人员：孙丹丹，周酉林，刘宜伟，
申请(专利权)人：宁波韧和科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33