【摘 要】
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近年来,伴随着可穿戴电子器件日益增长的需求,可拉伸电子技术得到了巨大的发展。可拉伸电子器件超越了传统器件在机械性能方面的限制,极大的拓展了传统电子器件的应用范围。在这一系列的新型电子之中,基于功能导电液体的液态电子器件展现出了独特的优势。导电液体由于其良好的流动性及变形能力,能够在承受扭转、拉伸及弯曲等多种应力应变,并且在重复变形时依然保持稳定的电学连接,体现出其出色的耐久性及可靠性。多种功能导电
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近年来,伴随着可穿戴电子器件日益增长的需求,可拉伸电子技术得到了巨大的发展。可拉伸电子器件超越了传统器件在机械性能方面的限制,极大的拓展了传统电子器件的应用范围。在这一系列的新型电子之中,基于功能导电液体的液态电子器件展现出了独特的优势。导电液体由于其良好的流动性及变形能力,能够在承受扭转、拉伸及弯曲等多种应力应变,并且在重复变形时依然保持稳定的电学连接,体现出其出色的耐久性及可靠性。多种功能导电液体均可用于可拉伸电子器件开发,主要包括导电油墨、液态金属和离子液体。液态传感器的常规制备流程主要包括:(1)光刻法制备出液态材料流道图形;(2)采用软刻蚀技术将流道图形转印至软质基底上;(3)将软质封装层与流道结构粘结成微流管道;(4)灌注功能性液体实现器件功能化。然而,这一系列的制备过程耗时费力,同时还会产生多种有害废料。正是由于缺乏可靠的制备方式,液态电子材料很难精确有效地组装到功能系统中,当前液态传感器件的广泛应用也因此受到了诸多限制。为了解决以上问题,本课题提出了一种采用直写型三维打印的方式构建三维弹性体结构的加工方法。本文首先着重讨论了打印浆料所需的流变特性及调节流变性质的理论原理与实现策略,并比较了具有不同流变性质的浆料的打印特性。基于优化的打印浆料配方,本课题实现了在无额外支撑结构和可去除牺牲材料的条件下,对具有悬挂结构和内嵌通道等复杂弹性体结构的直接打印,加工方法具有环保便捷的特点。该技术大大简化了液态电子器件的制备流程,只需将液态金属填充到打印结构中内嵌的微通道当中,便可制成各类液态电子器件。本课题所开发的液态可拉伸电子器件的制备方式及设计理念在生物医学仪器,可穿戴设备和软机器人等众多领域具有巨大的应用潜力。本文的主要内容如下:1.从高分子浆料的流变调节机制出发,本文首先通过添加纳米二氧化硅颗粒调控液态硅橡胶的流变性质,具备了高粘度、强剪切稀化性和高剪切屈服应力,可利用直写型三维打印制备具有自支撑特点的复杂弹性体结构,打印件具有各向同性的力学性质,从而可灵活设计三维打印路径而不影响其性能。2.利用直写型三维打印加工具有嵌入型微通道的弹性微流芯片,充分发挥浆料的独特流变性质而确保流道在打印和固化过程中不塌缩,通过后续灌注液态金属而制成液态电子器件,其中流道的电阻由其结合结构和液态金属导电率所决定,从而为液态电子器件的设计奠定了理论基础3.本文利用弹性微流芯片和液态金属制备了对应变和压力敏感的传感器件:应变传感器在50%的应变范围内具有良好的线性特点,其传感系数为2.1,并可用于更大形变条件下的应变传感;压力传感器采用惠斯通电桥设计,并通过额外的空腔结构提高了器件的线性及灵敏度,优化的传感器件具有0.29 k Pa-1的灵敏度和低于50Pa的检测极限。4.借助直写型三维打印技术制备出了具有五个应变传感器和连接线路的集成式可穿戴智能手套,通过外部电路对传感器信号的实时测试而实现了对手势的动态反馈,展示了该三维打印方法在在制备可拉伸液态电子器件和系统方面的独特优势。
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