激光辅助制备微纳结构柔性导电薄膜的应用基础研究

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基于可穿戴设备在人机接口、医疗健康、运动娱乐、机械骨骼、电子皮肤等领域的广阔应用前景,近年来关于柔性材料与可穿戴器件的研究引起了广泛的关注。柔性导电薄膜是制造可穿戴设备的基础材料,不仅用于构建柔性器件本身,而且还应用于连接传感器、电源、天线等部件,从而并集成为具有一定功能的可穿戴设备。柔性器件要求导电薄膜材料具有良好的导电性与柔韧性,且在形变过程中保持良好的机械—电学稳定性,即在弯折等应变下导电性能保持稳定。尤其是在制备紧贴人体皮肤的穿戴器件时,更需要导电薄膜材料像皮肤一样可以拉伸、扭曲,并具有一定的透气性与良好的化学稳定性和生物安全性。为了满足柔性导电薄膜材料性在性能方面的要求,利用微纳加工工艺制备具有弹性结构的金属导电薄膜是一个重要的研究方向。本文利用激光直写技术,发展了一种制备金属微纳结构导电薄膜的新路径,研究了结构参数对导电薄膜性能的影响,制备了性能优越的皮肤兼容性导电薄膜。本文首先研究了一种新型的激光直写固化聚合物的技术路径,并探究了这个技术的原理及其特点,然后通过此方法制作了反向模板,并通过电沉积的方式制备了具有微纳网格结构的金属透明导电薄膜。在此基础上,研究了金属网格的线宽、金属的沉积厚度和不同的金属类型对金属网格导电薄膜的性能的影响。通过将此导电薄膜转移到刚性的玻璃基底上,得到的镍金属网格透明导电薄膜具有出色的导电性和透明度,透光率达到83%,而方块电阻仅为4.8 Ω/sq。此外,本文将所制备的镍金属导电薄膜应用到电热除霜装置中,获得了优越的电热除霜性能。柔性透明导电薄膜的应用前景非常广泛,这也为透明导电薄膜的制备提供了一种新的思路。此外,本文利用CAD辅助设计图形,制作了具有微弹簧结构的柔性可拉伸镍金属网格导电薄膜,研究了不同微结构对导电薄膜的柔性与可拉伸性能的影响。实验结果表明,通过调整微弹簧的参数,制备了有良好机械—电学稳定性的导电薄膜,在拉伸超过75%的时候,电阻变化仅5%,弯曲次数超过5000次时,方块电阻变化小于2%。此外,我们将其应用于制备可穿戴的电热理疗器件,在1.5 V的电压下,器件可在10s的时间内快速加热至50℃。金属微弹簧柔性导电薄膜在可穿戴电子领域有着广泛的应用前景,本文所发展的激光直写辅助制备技术简单而有效,为基于金属微结构柔性导电薄膜的设计与制备提供了新的技术路径,也将极大地促进柔性电子与可穿戴设备的发展。
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