多層導電彈性複合材料的製作方法

2023-12-02 06:43:16 1

本發明涉及可拉神電子學領域，更確切的講，涉及一種多層導電彈性複合材料。

背景技術：

近年來，柔性導電材料的發展受到越來越多的關注。具有大形變和電阻穩定的導電彈性材料，是開發高性能可拉伸電路和電子器件的關鍵。然而，大的拉伸形變和保持電阻穩定，是兩個相互矛盾和對立的因素。剛性材料通常具有優異和穩定的電學性能，但是可拉伸性能差；軟性材料可拉伸性能良好，但是一般來講電學性能極差。

目前可拉伸導電彈性體的製備方法是將納米導電材料與彈性體進行混合，或將導電材料層貼在彈性體表面。在拉伸過程中，導電材料結構變化顯著，導致電阻顯著增加，且拉伸應變範圍很小。因此，開發出具有高電阻穩定性、高拉伸應變的導電彈性體是可拉伸電子學理論研究與器件應用中的迫切需要。

技術實現要素：

本發明提供一種多層導電彈性複合材料的構建思路和製備方法。該複合材料同時具有良好的可拉伸性和導電性，單向拉伸400%的情況下電阻變化小於2%。

上述多層導電彈性複合材料的構建，其構成包含電介質層和導電層，製備方法為導電層和電介質在基底上交替鋪疊組成。為保證複合材料的機械強度和導電性，優選的層數為50-500層。層數太少，可能導致該複合材料導電性能差；層數太多，製作複雜且上層導電層回縮性能變差，影響整個複合材料的均勻性。

本發明所述的多層導電彈性複合材料結構示意圖見說明書附圖1，為電介質與導電層交替鋪疊而成；製備過程請參考說明書附圖2，詳情請見具體實施方式中的實施例說明。

所述電介質層由白油與超軟橡膠以一定比例混合製成，熱熔後經空氣噴塗泵噴塗生成。使用此方法製作的彈性層具有極好的可拉伸性能，最高拉伸係數可達10倍以上，是目前橡膠材質中拉伸倍數最長的材料之一，為多層導電彈性複合材料實現超大形變奠定了基礎，同時也為複合材料的電極層（碳納米管）提供了附著基底。

所述導電層採用單臂碳納米管或者多壁碳納米管，碳納米管本身具有優異的力學性能以及輕的質量，使得該彈性導電複合材料具有強韌的結構。

所述多層導電彈性複合材料採用「表面覆蓋」方法，將高取向碳納米管薄膜均勻覆蓋在大形變預拉伸的彈性層表面，碳納米管取向平行於彈性層拉伸方向，形成層疊構造；釋放該層疊結構，預拉的伸彈性纖維壓縮碳納米管薄膜，形成多級褶皺結構，參考說明書附圖1收縮狀態下示意圖，再加上碳納米管優良的力學性能，具有可反覆拉伸、可反覆扭曲、可反覆折彎不易損壞的特點。

目前彈性導電體應變範圍只有30%左右，本發明所提供的多層導電彈性複合材料應變範圍可達到400%，而且電阻在拉伸過程中變化率小於2%，而且反覆使用2000次以上，性能衰減仍小於5%，真正實現超大形變且性能穩定的導電彈性複合材料。

附圖說明

圖1，多層導電彈性複合材料的結構示意圖，（1）為拉伸狀態下，（2）為收縮狀態下。

圖2，多層導電彈性複合材料的製備過程示意圖。

圖3，相同厚度不同層數下單位長度的複合材料電阻與拉伸長度的關係。

圖4，相同層數不同厚度的樣品截面掃描電鏡圖，層數為100層，其中圖a、b、c、d對應的內層厚度分別為5微米、8微米、20微米、36微米。

圖5，導電彈性複合材料彎曲、扭轉、按壓過程中電阻變化曲線圖，其中圖a為彎曲情況下電阻變化曲線，橫坐標為彎曲直徑；圖b為旋轉扭曲情況下電阻變化曲線，橫坐標為單位釐米扭曲圈數；圖c為按壓過程中電阻變化曲線，橫坐標為按壓時符合材料應變幅度。

圖6，對導電彈性複合材料反覆拉伸、彎曲1000次之後，再次測量彎曲、扭轉、按壓過程中電阻變化曲線圖，其中圖a為彎曲情況下電阻變化曲線，橫坐標為彎曲直徑；圖b為旋轉扭曲情況下電阻變化曲線，橫坐標為單位釐米扭曲圈數；圖c為按壓過程中電阻變化曲線，橫坐標為按壓時符合材料應變幅度。

圖7，a相同層數不同厚度單位長度電阻與拉伸長度變化曲線圖；b相同層數不同厚度電阻與拉伸長度變化曲線圖；c電導率與內層橡膠厚度變化曲線圖。

圖8，實施例最終得到的樣品實物圖。

具體實施方式

下面參照說明書附圖2對本發明的實施方式進行詳細說明。

本發明所述多層導電彈性複合材料由導電層和電介質層在基底上交替鋪疊組成。詳細步驟如下：

（1）基底的選取：限於碳納米管彈性遠不如橡膠，如果選用回彈性能差的橡膠作為基底，隨著鋪設碳管層數的增大，製備的導電彈性體拉伸倍數就會減小。為解決此問題，保證導電彈性體拉伸倍數基本不變，這裡我們選擇回彈性能較好的硬橡膠作為片狀基底，基底大小：長50mm,寬10mm。

（2）導電層的製備：將步驟1中的基底根據所需拉伸率拉伸至原長的1-5倍，本實施例選取最大倍數5倍。原始長寬分別為50mm和10mm，拉伸後的長為250mm，寬為7mm。接著鋪一層碳納米管作為導電層，碳納米管長為85mm，寬為6mm，碳管層數根據所需製備導電彈性體的層數而定。鋪設完畢之後，在碳納米管上滴少量乙醇，使碳納米管全部浸潤，可達到碳納米管與基底緊密貼合的作用。所述的碳納米管軸向全部平行於基底軸向方向排列。待乙醇揮發後將基底縮回至原始狀態。

（3）電介質的製備：待步驟2中的基底恢復至原始狀態，再在上面噴塗橡膠溶液作為電介質，所述橡膠溶液由超軟彈性芯以一定的比例溶解於有機溶劑中獲得，本實施例採用超軟彈性芯溶於環己烷中所得，溶解比例一般為1：15-1：30（質量體積比），本實施例中採用1：23（g：ml），其主要作用是將相鄰的碳納米管隔離開，以製得所需層數的導電彈性體。橡膠溶液的噴塗厚度可人為控制，相同層數下，可通過控制噴塗時間，製得所需厚度的導電彈性體。本實施例中選用100層，5微米,8微米,20微米,36微米四個不同內層厚度。由於不可避免誤差，噴塗厚度太薄容易導致樣品太薄，不容易從基底上脫離；而噴塗太厚會形成較大褶皺，在拉伸過程中容易導致上層碳管斷裂，影響導電彈性體的穩定性，影響其使用範圍。噴塗過程可人工操作，也可機械噴塗。

（4）根據所需層數，重複步驟2、3。

（5）待步驟4完成以後，將樣品從基底上揭掉，從而得到穩定的多層導電彈性複合材料，參考說明書附圖8。

針對以上實施步驟解釋如下：

所述多層導電彈性複合材料由碳納米管和橡膠構成的，此處的碳納米管可以為單壁碳納米管，亦可以為雙壁或者多壁碳納米管，層數數值越大，導電性能越好。請參考說明書附圖3相同厚度不同層數下，複合材料的單位長度電阻與拉伸長度的關係。

製備的多層導電彈性複合材料，由拉伸狀態釋放為自然狀態時，碳納米管層在橫向會形成周期褶皺，該周期褶皺確保了所述彈性體在大幅拉伸收縮時維持電阻的穩定。請參考附圖4相同層數不同厚度的樣品截面掃描電鏡圖。

上述步驟（2）所述導電彈性複合材料碳納米管導電層的鋪設方法如下：碳納米管層由一碳納米管陣列製備得到，該碳納米管陣列需基本沿同一方向取向排列。首先，根據所需寬度採用一定寬度的膠帶或者刀片自碳納米管陣列中選取多個碳納米管一致往外拉伸，以一定的速度沿實際上垂直於碳管陣列生長方向拉伸碳納米管，所述的多個碳納米管在拉力作用下沿拉伸方向逐漸脫離碳納米管陣列的基底，並在範德瓦爾力的作用下，使選定的多個碳納米管分別與其它相鄰的碳納米管首尾相連，連續拉出，根據所需長度，製備相應長度的取膜框並取膜，取下膜後，將其平行於基底方向均勻鋪設於基底和電介質之上。

步驟（3）中不同厚度電介質層的製備方法如下：電介質由橡膠溶液經空氣噴塗泵噴塗得到，噴塗過程需保持噴槍垂直於基底方向，左右恆速移動噴槍，使橡膠溶液均勻的落在基底上。調節空氣泵壓力以及噴槍與基底距離到一固定值（一般情況下，壓力範圍大概為30-40psi，噴槍與基底距離大概為10-20cm，本實施例中選擇壓力為30psi，距離為15cm），通過控制噴塗時間，得到所需厚度的電介質層。

步驟（5）所述將樣品從基底上脫離的方法如下：使樣品一端輕輕從基底上脫離一小段距離，沿此部分斜向上輕拉樣品，使樣品完全從基底上脫離。此過程可人工操作，亦可機械操作，並且拉樣品時速度不可過快，一定要緩慢進行，防止破壞樣品。

所述的多層導電彈性複合材料，能夠保持穩定的導電性能和機械性能，在彎曲，扭轉，按壓過程中，依舊保持電阻值的穩定，電阻變化不超過0.5%（參照附圖5）。經過1000次反覆拉伸和彎曲後，性能衰減小於1%（參照附圖6）。當內層橡膠厚度從5微米增加到36微米時，在不拉伸情況下，單位長度電阻從31.7歐/cm增加到41.7歐/cm；同時可拉伸的最大長度基本保持不變，僅僅從5倍變到了4.6倍（參照附圖7a）。此外不同內層橡膠厚度的樣品在拉伸過程中電阻變化小於1.5%（參照附圖7b）。同時隨著內層厚度的減小，電導率增加了29倍，從1s/m增加到了29s/m（參照附圖7c）。因此，通過控制內層橡膠的厚度可以很方便的得到所需電導率的多層導電彈性複合材料。

另外，相關領域技術人員還可以依據本發明技術方案做其它變化，依據本發明技術方案所做的變化，都應包含在本技術方案所保護的範圍之內。