基于磁场图案化构筑液态金属基柔性器件

作     者：王克强 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：聂俊

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：柔性电子器件 液态金属 磁场图案化 光聚合 

摘      要：液态金属由于流动性好、导电性优良等特点在柔性电子器件领域得到了广泛的应用。导电材料的图案化对于功能性器件的制造过程一直是不可或缺的一部分,但液态金属的高表面张力以及氧化物薄层的存在使液态金属很难直接适用于液体的图案化技术。通常,液态金属的图案化技术制备流程较复杂,或需要昂贵的装备来实现。因此探索一种绿色环保、操作简单、快速高效的液态金属图案化方法是十分必要的。本论文提出一种新的、高效且绿色的液态金属图案化的技术。通过对磁场的研究实现了对磁场的调控,使磁场按照需求呈现规律性的空间分布,并对带有磁性的液态金属进行图案化。与原位光聚合封装技术结合,实现简单快速制备具有不同形状结构的柔性电子器件。首先,通过液态金属与磁性镍颗粒的混合赋予液态金属磁性后,在单宁酸溶液的存在下进行机械搅拌,制备磁性液态金属微粒。通过SEM、EDS、FTIR等表征手段证明了磁性液态金属微粒的成功制备,并将其用作导电材料。其次,通过对单体、低聚物以及光引发剂的筛选及配方设计,确定了光聚合树脂体系,得到具有优异力学性能的光聚合树脂配方。经过一系列测试结果表明,该树脂具有优异的拉伸性(283%)、较高的透过率(75%)和热稳定性。将其用作柔性电子器件的基体材料和封装材料。然后,对永磁铁的空间磁场分布进行数学模型建立,使用COMSOL Multiphysics软件对永磁铁以及磁场调控模板存在下的空间磁场分布进行有限元模拟,为磁场图案化提供理论基础。此外,对直线型和蛇形器件进行机械-电性能表征,所制备的器件具有优异的导电性能(1 cm长的通道,电阻值仅为1.8Ω),至少可拉伸100%等。探索了作为人体运动信号监测(直线型)和柔性导体(蛇形)的应用,具有良好的循环稳定性。最后,对电热器件进行电场和温度场分析,建立数学模型进行有限元模拟,分析电热器件的传热过程和温度分布情况。进行了电热性能测试,器件可以在室温(25℃)环境中,2 V电压可实现在120.2℃下进行加热保温。在低温环境下(-30℃)正常运行,具有良好的工作稳定性,作为人体局部加热保温具有潜在应用。