基于功能液态金属的主动可控润湿性涂层及其应用

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近年来,镓基液态金属在多个领域展示了较大的应用价值,受到了广泛的关注,但液态金属本身具有高表面张力,难以润湿在其它材料表面,这大大的限制了液态金属在柔性电子及柔性机器人领域的应用。针对这一瓶颈难题,本文提出了一种新的主动可控液态金属润湿性涂层,实现了液态金属在任意基底的可控润湿,且在强酸强碱等极端环境下润湿性仍能很好保持。本文的研究内容主要分以下三个方面:首先,提出一种功能液态金属润湿性涂层的制备方法,解决了液态金属与多种基底的润湿难题。功能液态金属润湿性涂层制备基于电化学原电池反应原理,将铁磁性金属纳米粒子分散进入镓铟锡液态金属制备而成。对照实验证明,相较于当前业内常用的果糖润湿性涂层及氧化物润湿性涂层,本文所提出的功能液态金属润湿性涂层不仅能在常规条件下确保液态金属与多种材料基底的可靠润湿,还可以在强酸、强碱等极端条件下,保持液态金属与多种材料基底的可靠润湿。此外,无需复杂处理手段,功能液态金属涂层仅在磁场辅助下即可涂覆于各种基底表面。通过设计重力实验证明了功能液态金属涂层的涂覆性能。其次,对功能液态金属润湿性涂层的理化性质进行了表征测试。揭示了功能液态金属润湿性涂层与基底润湿的内在机理。通过SEM、EDS和XRD等手段对液态金属润湿性涂层的形态学及物理化学性质进行了分析测试。其次,分析了功能液态金属润湿性涂层的失效条件及失效机理,研究揭示了功能液态金属的失效与样本放置时间和液态金属的融合量正相关性。进一步,提出了功能液态金属润湿性涂层性能的自恢复方法。完全失效的液态金属可通过搅拌等方式恢复其润湿性能。从基底厚度、液态金属融合量、铁颗粒粒径大小、不同金属颗粒、是否存在氢氧化钠溶液等多个维度对功能液态金属润湿性涂层与基底的润湿性能进行了探究。最后,通过电导及热导测试装置,对功能液态金属的导电性能和导热性能进行了量化分析。最后,进行了功能液态金属润湿性涂层的应用研究。通过外磁场控制功能液态金属润湿性涂层形成复杂形状的字母图案,该方法可用于液态金属电路的修复;其次,提出了液态金属图案化的复杂工艺,该方法可用于柔性电路及柔性传感器的制作;最后,制备了基于功能液态金属润湿性涂层的仿生水蛭,用于收集实验环境中的液态金属微液滴。搭建了基于亥姆霍兹线圈的三轴旋转磁场,实现了仿生水蛭的精确操控,展示了功能液态金属润湿性涂层在液态金属回收方面的潜在价值。
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