一种镓基液态金属柔性电子器件的制备方法技术

本申请涉及一种镓基液态金属柔性电子器件的制备方法，属于液态金属制备技术领域。本申请的镓基液态金属柔性电子器件的制备方法，包括以下步骤：将镓基液态金属置于毛细管中进行冷凝处理，然后去除毛细管，得到镓基液态金属细丝；将所述镓基液态金属细丝进行塑形处理；将所述塑形处理后的镓基液态金属细丝进行封装处理，即得所述镓基液态金属柔性电子器件。本申请将镓基液态金属在毛细管中冷凝后进行塑形和封装，省去了模具的使用，无需软光刻、喷溅、激光雕刻等预制模具的复杂工艺，具有工艺简单、成本低、利于推广应用的优点。利于推广应用的优点。利于推广应用的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种镓基液态金属柔性电子器件的制备方法


[0001]本申请涉及液态金属制备
，尤其涉及一种镓基液态金属柔性电子器件的制备方法。

技术介绍

[0002]镓基液态金属的熔点可低至15.4℃，常温下呈液态，兼具金属和流体两种材料的特性，有着优异的流动性、导电导热性、可变形能力和生物相容性等，是一种理想的柔性电极材料。该柔性电极材料可以与柔性材料复合制备可拉伸变形且导电的液态金属柔性电子器件，在承受一定的弹性变形时依然保持优良的电学性能。该柔性电子器件可广泛应用于新能源、先进制造、生物医学、电子信息、人工智能等领域，并且给半导体、软体机器人、芯片冷却、柔性可穿戴电子设备、可伸缩电池、电子电路打印等技术带来新的发展机遇。
[0003]镓基液态金属柔性电子器件在制备时需要对液态金属进行图案化处理，目前主流的制备方法有微流控、3D打印和搅拌
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模板浇注。微流控的核心是将柔性材料预制成带有微通道的模具，将液态金属注入微通道中进行图案化。但预制模具所需精度较高，需要软光刻、喷溅和激光雕刻等复杂工艺，成本较高且存在上下模板对准误差的问题，另外需要通过外加电场、温度、机械力等外界因素控制液态金属在微通道中的流动和分布，否则可能出现堵塞等问题，柔性模具在注入过程中还存在变形和破损泄露等风险。
[0004]3D打印是通过3D打印技术在不同的基体上对液态金属进行复杂图案化，不需要定制高精度的预制模具。但液态金属在打印过程中容易聚集成球，且表面极易形成氧化膜Ga2O3限制其流动性，对3D打印的制备控制条件要求非常高。目前液态金属3D打印仅支持二维平面电路，且生产速度慢、设备维护成本高，不利于规模化生产应用。
[0005]搅拌
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模板浇注是将一定质量配比的镓铟合金与柔性材料溶液混合为复合材料，然后浇注模具固化成型，制备方法较为简单。但是，液态金属密度为6.44 g/cm3，为柔性材料溶液密度的6倍之多，因此复合材料容易出现沉淀、分散不均匀的问题，导致难以制备均质的可拉伸导电材料，得到的电子器件的强度、韧性及导电性等性能难以满足应用标准。另外由于模具的表面微观缺陷以及液态金属的流动等原因，复合材料还容易发生泄露污染。因此模具往往还要附加防泄漏结构，具有制备效率低并且成本高的问题。

技术实现思路

[0006]本申请的目的在于提供一种镓基液态金属柔性电子器件的制备方法，将镓基液态金属在毛细管中冷凝后进行塑形和封装，省去了模具的使用，无需软光刻、喷溅、激光雕刻等预制模具的复杂工艺，具有工艺简单、成本低、利于推广应用的优点。
[0007]本申请的镓基液态金属柔性电子器件的制备方法，采用的技术方案如下：一种镓基液态金属柔性电子器件的制备方法，包括以下步骤：步骤S1、将镓基液态金属置于毛细管中进行冷凝处理，然后去除毛细管，得到镓基液态金属细丝；步骤S2、将所述镓基液态金属细丝进行塑形处理；步骤S3、将所述塑形处理后的镓基液态金属细丝进行
封装处理，即得所述镓基液态金属柔性电子器件。本申请通过将镓基液态金属冷凝为固态细丝，可以方便地采用常规机械制造设备或方法进行塑形加工，将镓基液态金属在固体情况下进行图案化，然后通过封装处理使镓基液态金属在使用时转换为液态，从而获得具有预期设计电路结构的镓基液态金属柔性电子器件。该方法避免了传统方法预制模具需要采用的软光刻、喷溅、激光雕刻等大型高精度设备或复杂工艺，极大地简化了制造流程。通过该制备方法，能够在保持镓基液态金属柔性电子器件的高导电、高精度和高延展性等性能的同时，显著提高经济效益，有利于推广应用，实现镓基液态金属的工业化生产。
[0008]优选地，所述毛细管满足条件a~c中的至少一种：a：所述毛细管的内径为0.1~2 mm；b：所述毛细管的内壁动摩擦系数为0.01~0.1；c：所述毛细管的拉伸强度为20~35 MPa，韧性为200~400%。通过控制毛细管的内壁动摩擦系数在0.01~0.1范围，在将镓基液态金属注入毛细管中时可以尽量防止液态金属粘附在管道内壁上，避免传统方法中液态金属在细小通道内产生的堵塞问题，能够适用于内部直径为0.1~2 mm的毛细管。通过控制毛细管材料的拉伸强度和韧性，可以在曲率自然变形下保持管道的完整性，有利于液态金属的顺利注入，保证较高的生产效率。
[0009]优选地，所述毛细管的材料为聚四氟乙烯、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种。聚四氟乙烯材料(又称PTFE或特氟龙)的动摩擦系数为0.06，并且还具有优异的拉伸强度和韧性性能，采用聚四氟乙烯毛细管有利于镓基液态金属的流动注入以及冷凝后与镓基液态金属细丝的分离，并且得到的金属细丝具有较低的表面粗糙度，表面光滑能够保证极高的电路精度，后续封装时不会对柔性材料造成损伤，有利于避免或减少柔性电子器件内的金属穿刺等缺陷。
[0010]优选地，所述镓基液态金属选自镓、镓铟合金和镓铟锡合金中的任意一种；所述镓基液态金属中镓的质量百分比为85~100%。
[0011]优选地，所述塑形处理可以通过第二模具和/或机械制造设备进行，所述第二模具的材料可以采用光滑且高精度的树脂，例如可以为光敏树脂，所述机械制造设备可以采用折弯机、自动化绕线机等传统机械制造设备。本申请的镓基液态金属经过冷凝处理后具有足够的强度并且韧性较好，可以应用铁丝、铜丝用的机械加工制造设备通过弯折、卷绕等方式进行塑形处理。本申请通过冷凝处理后对固体细丝进行塑形处理以完成镓基液态金属的图案化，该方法突破了传统应用模具塑形中仅能制备二维平面电路的限制，能够制备出形状复杂、结构精密的三维电路结构。这一突破性技术不仅丰富了电路设计的空间维度，也为制作更高级、功能更强大的柔性电子器件及包含该器件的设备提供全新的可能性。
[0012]优选地，所述冷凝处理的温度为
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50~0℃，时间为10~40 h。冷凝处理的温度和时间条件可随具体的镓基液态金属种类的冷凝特性进行选择。示例性地，当所述镓基液态金属为镓（镓质量浓度≥99.99%）时，冷凝处理的温度为
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20~0℃，时间为10~20 h，该方案通过常见的普通冰箱即可完成，无需额外冷冻设备，有利于进一步降低成本，提高生产效率。
[0013]优选地，所述封装处理包括以下步骤：步骤S31、将高分子材料溶液在第一模具中进行第一固化处理，形成薄膜基底层；步骤S32、将所述塑形处理后的镓基液态金属细丝置于所述薄膜基底层上，向所述第一模具中继续加入高分子材料溶液，然后进行第二固化处理，使所述高分子材料溶液固化形成薄膜覆盖层。本申请采用先固化形成薄膜基底层，然后通过将塑形后的固体金属细丝置于薄膜基底层上，使固体金属细丝得到稳定支撑，避免了
传统搅拌
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模板浇注法中沉淀问题，后续加入高分子材料溶液进行固化处理，实现对镓基液态金属的封装，固化过程中镓基液态金属熔化为液态，恢复柔性可变形的性质，并且能够与高分子材料结合紧密，有利于柔性电子器件的性能稳定性。
[0014]优选地，所述高分子材料溶液体积本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种镓基液态金属柔性电子器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、将镓基液态金属置于毛细管中进行冷凝处理，然后去除毛细管，得到镓基液态金属细丝；步骤S2、将所述镓基液态金属细丝进行塑形处理；步骤S3、将所述塑形处理后的镓基液态金属细丝进行封装处理，即得所述镓基液态金属柔性电子器件。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述毛细管满足条件a~c中的至少一种：a：所述毛细管的内径为0.1~2 mm；b：所述毛细管的内壁动摩擦系数为0.01~0.1；c：所述毛细管的拉伸强度为20~35 MPa，韧性为200~400%。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述毛细管的材料为聚四氟乙烯、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述镓基液态金属选自镓、镓铟合金和镓铟锡合金中的任意一种；所述镓基液态金属中镓的质量百分比为85~100%。5. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述冷凝处理的温度为
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50~0℃，时间为10~40 h。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述封装处理包括以下步骤：步骤S31、将高分子材料溶液在第一模具中进行第一固化处理，形成薄膜基底层；步骤S32、将所述塑形处理后的镓基液态金属细丝置于所述薄膜基底层上，向所述第一模具中继续加入...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱燕，姜云鹏，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：