CN113764118B - 一种可拉伸高导电性材料的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可拉伸高导电性材料的制备方法，将纳米银粉、石墨烯衍生物和液态金属按照质量比为（0.1‑0.28）：（0.05‑0.1）：1混合，球磨后获得纳米银粉‑石墨烯‑液态金属复合导电材料。该复合导电材料可采用丝网印刷的方式在刚性或柔性基底表面印制高导电性电子电路。该方法制备简单、可批量化制备，且无需额外处理，并可满足可穿戴电子、电子皮肤、智能传感、机器人等领域的应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及电子材料制备及其器件加工技术领域，特别是涉及一种可拉伸、高导电性材料的制备方法及其应用方式。
背景技术
近年来，电子信息技术不断发展，电子器件也朝向微型化、轻量化发展。其中，可穿戴设备的兴起，必将推动柔性电子器件发展为电子领域的主流方向之一。然而，这里面临这个关键技术问题有待解决：（1）柔性基底，传统的ITO（铟锡氧化物）材料因其透明、导电等特性，几乎长期统治着整个行业。但ITO材料的高成本、高阻抗、透光性较差、可挠式差等问题限制了其应用和发展。（2）导电材料的电导性和可拉伸性。目前，采用丝网印刷或喷墨打印的方式印制的电子电路，主要采用纳米银粉、石墨烯、碳纳米管等高弹性模量高导电颗粒作为导电介质。这两类问题的存在限制了柔性电子技术的进一步发展。
然而，以金属类（铜、银等）和碳系(石墨烯、碳纳米管等)为导电介质制备导电油墨具有以下不足：高弹性模量、断裂伸长率低，不具备很好的可拉伸性。 因此，开发可拉伸、导电性好的的新型导电材料必将是推动柔性电子技术发展的有生力量。近年来以镓及镓基合金为代表的室温液态金属材料具有超越传统电子材料优异的电学性能，也有望应用于印制高性能电子电路。但液态金属所具有的巨大表面能，以及其表面自发形成的绝缘氧化膜，会限制液态金属在各种基底上的印刷效果和电导性。
因此，本发明制备了一种可拉伸、高导电性材料的制备方法，将纳米银粉、石墨烯衍生物和液态金属三种材料复合，通过简单的球磨方式即可获得可拉伸和高导电性复合导电材料，将复合导电材料用于高导电性电子电路印制。同时，该方法操作简单、可批量化制备，并无需额外处理工艺。此外，采用该方法制备的可拉伸性和高导电性电子电路可满足可穿戴电子、电子皮肤、智能传感、机器人等民用领域的应用需求。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明的目的是提供一种可拉伸性、高导电性材料的制备方法，通过简单的球磨方式即可获得高导电性复合导电材料。该复合导电材料为高粘度半固态，其粘度适合采用丝网印刷方式在刚性或柔性基底表面印制电子电路。该方法操作简单、可批量化制备，并无需额外处理工艺。此外，采用该方法制备的高导电性电子电路可满足可穿戴电子、电子皮肤、智能传感、机器人等民用领域的应用需求。具体技术方案如下：
将纳米银粉、石墨烯衍生物和液态金属按照质量比为（0.1-0.28）：（0.05-0.1）：1混合，球磨后获得纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电材料，其中，球磨转速为500-1,000rpm，球磨时间为3-6 h，球磨前及球磨的过程中每隔1 h抽真空、充氩气一次。纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电材料制备过程中会产生有机气体，需及时去除以避免氧化液态金属；
所述的纳米银粉中的银固含量大于99 %，颗粒尺寸小于150 nm；纳米银粉表面的有机配体会在高速搅拌的过程中挥发，会氧化液态金属，导致纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电材料的导电性降低，因此需要使用高银固含量的纳米银粉；
所述的液态金属为Ga-In和Ga-In-Zn合金中的一种或几种。所述的Ga-In合金中的金属镓和含量为65-95质量份、金属铟含量为5-35质量份。所述的Ga-In-Zn合金中的金属镓含量为65-95质量份、金属铟含量为5-35质量份、金属锌含量为5-20重量份。
所述的石墨烯衍生物包括氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、氮掺杂石墨烯、硫掺杂石墨烯、氮-硫共掺杂石墨烯中的一种或几种。
所述的纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电材料为高粘度复合半固体材料，粘度为8,000-12,000 cp。
所述可拉伸高导电性材料的应用方式，采用丝网印刷或狭缝涂布的方式将纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电材料在刚性基底或柔性基底表面制备电子电路。
所述的刚性基底为PCB板、氧化铝陶瓷板、氮化铝陶瓷板、铝基板或者铜基板。
所述的柔性基底为PET、PVC、PI、PEN、Teslin或者相纸。
在柔性基底制备的电子电路，可拉伸率为200 %-1,000 %。
所述的可拉伸性、高导电性电子电路，该电路可满足可穿戴设备、电子皮肤、智能传感和柔性机器人的应用需求。
本发明的有益效果是：通过设计并制备一种可拉伸性、高导电性材料的制备方法，通过简单的球磨方式即可获得高导电性复合导电材料。该复合导电材料为高粘度半固态，其粘度适合采用丝网印刷方式在刚性或柔性基底表面印制电子电路。该方法操作简单、可批量化制备，并无需额外处理工艺。此外，采用该方法制备的高导电性电子电路可满足可穿戴电子、电子皮肤、智能传感、机器人等民用领域的应用需求。
附图说明
图1为本发明实施例1中纳米银粉-石墨烯-液态金属半固态复合导电材料的SEM图；
图2为本发明对比例1中不使用纳米银粉和石墨烯衍生物的液态金属SEM图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
现有技术中纳米银粉印制的电子电路可拉伸性差、石墨烯的导电性差和液态金属的附着性差及表面易氧化等问题，限制了其在柔性电子领域中的应用。为了解决上述问题，本发明提供一种可拉伸性、高导电性材料的制备方法，通过简单的球磨方式即可获得高导电性复合导电材料。该复合导电材料为高粘度半固态，其粘度适合采用丝网印刷方式在刚性或柔性基底表面印制电子电路。该方法操作简单、可批量化制备，并无需额外处理工艺。此外，采用该方法制备的高导电性电子电路可满足可穿戴电子、电子皮肤、智能传感、机器人等民用领域的应用需求。
实施例1
一种可拉伸、高导电性材料的制备方法：
将纳米银粉、氮-硫共掺杂石墨烯和液态金属Ga-In合金按照质量比为0.1：0.08：1混合，球磨后获得纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电材料，图1为本发明实施例1中纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电材料的SEM图。
其中，球磨转速为500 rpm，球磨时间为6 h，球磨前及球磨的过程中每隔1 h抽真空、充氩气一次。
所述的纳米银粉中的银固含量为99.95 %，颗粒尺寸为50 nm。
所述的Ga-In合金中的金属镓含量为65质量份、金属铟含量为35质量份；
所述的纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电材料为高粘度复合半固体材料，粘度为8,500 cp。
所述的纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电材料采用丝网印刷的方式在PCB板表面印制高导电性电子电路。
所述的高导电性电子电路可满足可穿戴电子、电子皮肤、智能传感和机器人的应用需求。
实施例2
一种可拉伸、高导电性材料的制备方法：
将纳米银粉、还原氧化石墨烯和液态金属Ga-In-Zn合金按照质量比为0.28：0.1：1混合，球磨后获得纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电材料，其中，球磨转速为1,000 rpm，球磨时间为4 h，球磨前及球磨的过程中每隔1 h抽真空、充氩气一次。
所述的纳米银粉中的银固含量为99.7 %，颗粒尺寸为120 nm。
所述的Ga-In-Zn合金中的金属镓含量为65质量份、金属铟含量为35质量份、金属锌含量为5重量份。
所述的纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电材料为高粘度复合半固体材料，粘度为12,000 cp。
所述的纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电材料采用丝网印刷的方式在PET表面印制高导电性电子电路，制备的柔性电子电路，可拉伸率为1,000 %。
所述的高导电性电子电路可满足可穿戴电子、电子皮肤、智能传感和机器人的应用需求。
实施例3
一种可拉伸、高导电性材料的制备方法：
将纳米银粉、氮掺杂石墨烯和液态金属Ga-In合金按照质量比为0.28：0.05：1混合，球磨后获得纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电材料，其中，球磨转速为600 rpm，球磨时间为3 h，球磨前及球磨的过程中每隔1 h抽真空、充氩气一次。
所述的纳米银粉中的银固含量为99.95 %，颗粒尺寸为50 nm。
所述的Ga-In合金中的金属镓含量为95质量份、金属铟含量为5质量份；
所述的纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电材料为高粘度复合半固体材料，粘度为11,000 cp。
所述的纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电材料采用丝网印刷的方式在氮化铝陶瓷板表面印制高导电性电子电路。
所述的高导电性电子电路可满足可穿戴电子、电子皮肤、智能传感和机器人的应用需求。
在另一种实施方式中氮化铝陶瓷板可替换为氧化铝陶瓷板、铝基板或者铜基板。
实施例4
一种可拉伸、高导电性材料的制备方法：
将纳米银粉、硫掺杂石墨烯和液态金属Ga-In合金按照质量比为0.1：0.1：1混合，球磨后获得纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电材料，其中，球磨转速为800 rpm，球磨时间为5h，球磨前及球磨的过程中每隔1 h抽真空、充氩气一次。
所述的纳米银粉中的银固含量为99.5 %，颗粒尺寸为100 nm。
所述的Ga-In-Zn合金中的金属镓含量为80质量份、金属铟含量为5质量份、金属锌含量为20重量份。
所述的纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电材料为高粘度复合半固体材料，粘度为9,500cp。
所述的纳米银粉-石墨烯-液态金属复合导电材料采用丝网印刷的方式在所述的PVC表面印制高导电性电子电路，制备的柔性电子电路，可拉伸率为950 %。
所述的高导电性电子电路可满足可穿戴电子、电子皮肤、智能传感和机器人的应用需求。
在另一种实施方式中PVC可替换为PI、PEN、Teslin或者相纸。
对比例1
将实施例1的技术方案改为：不使用纳米银粉或石墨烯复合的液态金属，制备的电子电路，导电性和附着性很差。图2为本发明对比例1中不使用纳米银粉和石墨烯衍生物的液态金属SEM图。
由以上可见，通过本发明实施方式制备的可拉伸性、高导电性材料，采用简单的球磨方式即可制备。该复合导电材料为高粘度半固态，其粘度适合采用丝网印刷方式在刚性或柔性基底表面印制电子电路。该方法操作简单、可批量化制备，并无需额外处理工艺。采用该方法制备的高导电性电子电路可满足可穿戴电子、电子皮肤、智能传感、机器人等民用领域的应用需求。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种可拉伸高导电性材料的制备方法，其特征在于，将纳米银粉、石墨烯衍生物和液态金属按照质量比为（0.1-0.28）：（0.05-0.1）：1混合，球磨后获得纳米银粉-石墨烯衍生物-液态金属复合导电材料，其中，球磨转速为500-1,000 rpm，球磨时间为3-6 h，球磨前及球磨的过程中每隔1 h抽真空、充氩气一次；
所述的石墨烯衍生物包括氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、氮掺杂石墨烯、硫掺杂石墨烯、氮-硫共掺杂石墨烯中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述可拉伸高导电性材料的制备方法，其特征在于，所述的纳米银粉中的银固含量大于99 %，颗粒尺寸小于150 nm。
3.根据权利要求1所述可拉伸高导电性材料的制备方法，其特征在于，所述的液态金属为Ga-In和Ga-In-Zn合金中的一种或几种；所述的Ga-In合金中的金属镓含量为65-95质量份、金属铟含量为5-35质量份；所述的Ga-In-Zn合金中的金属镓含量为65-95质量份、金属铟含量为5-35质量份、金属锌含量为5-20重量份。
4.根据权利要求1所述可拉伸高导电性材料的制备方法，其特征在于，所述的纳米银粉-石墨烯衍生物-液态金属复合导电材料为高粘度复合半固体材料，粘度为8,000-12,000cp。
5.权利要求1所述方法制备的可拉伸高导电性材料的应用，其特征在于，采用丝网印刷或狭缝涂布的方式将纳米银粉-石墨烯衍生物-液态金属复合导电材料在刚性基底或柔性基底表面制备电子电路。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述的刚性基底为PCB板、氧化铝陶瓷板、氮化铝陶瓷板、铝基板或者铜基板。
7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述的柔性基底为PET、PVC、PI、PEN、Teslin或者相纸。
8.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，在柔性基底制备的电子电路，可拉伸率为200 %-1,000 %。
9.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述的电子电路用于可穿戴电子、电子皮肤、智能传感和柔性机器人。
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