直写打印柔性电子用纳米银导电油墨的制备与低温烧结性能研究

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印刷电子技术作为一种增材制造技术,其工艺过程简单、对环境污染小、能够大规模制造,因而在柔性电子制造领域受到广泛关注。作为印刷电子技术的关键材料,高性能导电油墨的研发对于印刷电子技术的发展有重要意义,而目前研究的纳米银油墨存在烧结温度过高、印刷线路机械稳定性较差等问题。本论文研究的主要工作是以聚丙烯酸包覆的纳米银颗粒作为导电填料,针对直写式打印技术的工艺需求研制出可低温烧结的高导电纳米银油墨并阐明其低温烧结机理,进而利用直写打印机在柔性基板上制备柔性线路以探索纳米银导电油墨在柔性传感器领域的初步应用。本论文研究的主要内容和得到的结论如下:以聚丙烯酸作为包覆剂通过化学还原法成功制备出粒径均匀的纳米银颗粒,通过改变油墨中的纳米银含量以及溶剂中添加剂的含量来调控纳米银油墨的导电性能以及可打印性能,结果表明固含量为55 wt.%、溶剂中羧甲基纤维素钠含量为0.5 g时,油墨综合性能较好,在300℃烧结60 min后电阻率可低至4.8×10-6Ω·cm,印刷线路在聚酰亚胺基板上具有良好的弯曲循环稳定性和粘附性。研究了打印参数对印刷线路成型质量的影响,结果发现随着印刷压力增加线路线宽逐渐增加,而随着喷嘴高度和印刷速度的增加,线宽逐渐减小,当印刷压力E在-220到-240,喷嘴高度在70μm到110μm,打印速度在500 mm/min到600 mm/min时,打印出的线路成型质量较好。另外,系统研究了几种低温烧结油墨的方法,一是通过减少包覆剂的用量降低油墨的烧结温度,减少包覆剂用量后由于包覆剂对纳米银颗粒的烧结过程的阻碍作用减小,油墨的烧结温度可降低到200℃。二是利用相纸基板促进油墨的低温烧结,相纸基板的多孔结构可迅速吸收油墨中的溶剂,而涂层中的氯离子则会触发包覆剂的分离实现纳米银油墨的室温烧结。三是通过氯化钠处理导电油墨,利用氯离子与银的强相互作用使包覆剂分离,裸露的纳米银颗粒在表面能驱动下自发烧结形成导电通路。最后,在柔性基板上制备性能优良柔性弯曲传感器和柔性温度传感器,柔性温度传感器的电阻温度系数可达到2.3×10-3℃-1,灵敏度为0.44Ω·℃-1。
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