本發明涉及導體材料領域,具體涉及一種導電層片結構及其制備方法與應用。
背景技術:
1、柔性導體為一類在彎曲、折疊、拉伸等作用下仍可保持導電性的導體,被廣泛應用于柔性傳感器、可穿戴設備、柔性顯示器等可拉伸電子產品中。當前主流的柔性導電材料盡管在柔性和導電性上都具有良好的性能,但在彈性應變極限上都具有較明顯的缺陷。當材料承受拉伸,應力達到某一值,撤去應力后材料將不會自行恢復原狀,這一應力值對應的應變量,稱為彈性應變極限。一般金屬材料的彈性應變極限都小于0.5%,而導電聚合物pedot盡管可以通過添加增塑劑、與其他聚合物混合等方法獲得較好的彈性應變極限,但會導致其電阻率進一步升高。導電金屬漿料則依賴其聚合物基材來分散和固定金屬微粒,一旦承受拉伸,其電阻率會迅速上升。經實驗,盡管柔性金屬漿料的彎折疲勞性能優異,但其彈性應變極限也僅不足1%。
2、為提高柔性單體的可拉伸性,目前通常將導電材料與彈性聚合物的預聚物混合、成型制備可拉伸導體,其導電性及延伸率與導電材料的添加量有關,添加量低,延伸率高但導電性差,而添加量高時,導體的電導率雖提高了,但延伸率又大大降低,因此難以兼顧導體的可拉伸性及導電性,且導體的導電性會隨著拉伸長度的增加顯著降低,大大限制了這類柔性導體的應用領域。而通過在彈性基體表面制備納米金屬線網絡層所制備的柔性導體,雖在一定程度上可改善柔性導體的導電性,但目前納米金屬線網絡層中納米金屬線的排布多為無序狀態,部分搭接點會隨著柔性導體的拉伸而斷開,無法有效改善柔性導體在較大形變作用下的導電性。
3、基于此,亟需一種在較大拉伸作用下可保持高導電性的柔性導體,以滿足需求較大形變的應用上。
技術實現思路
1、為解決上述問題,本發明提供了一種導電層片結構及其制備方法與應用,通過在兩層柔性基底之間設置由納米金屬線組成且具有平行四邊形網格結構的導電網層,具有該結構的導電網層形狀可變形強且利于應力分散,在上下柔性基底的協同作用下,不僅具有高拉伸率,且阻抗隨著拉伸率的增加變化率低。
2、具體的,提供了以下技術方案:
3、本發明第一方面提供了一種導電層片結構,包括依次層疊設置的第一基材層、導電網層及第二基材層;
4、所述導電網層包含交叉設置的第一導線組及第二導線組,所述第一導線組及第二導線組均包含平行間隔設置的多條導線,所述導線包含納米金屬線。
5、進一步地,所述第一基材層及第二基材層的材質相同或不同,可分別選自聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亞胺、聚酰胺、聚氨酯、聚芳酯、聚苯硫醚、聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚砜、橡膠、有機硅樹脂、聚醚醚酮、聚碳酸酯、聚丙烯、聚二甲基硅氧烷中的一種或多種,上述橡膠包含但不限于天然橡膠、硅橡膠等;所述第一基材層及第二基材層的厚度分別優選為1-30μm,例如10μm、15μm、20μm、25μm、30μm等,包括但不限于上述所列舉的厚度值。
6、進一步地,所述第一導線組與所述第二導線組之間的夾角優選為80°-100°,例如80°、85°、90°、95°、100°等,包括但不限于上述所列舉的夾角,第一導線組與第二導線組形成具有近矩形的平行四邊形網絡結構的導電網層。更優選地,所述第一導線組或第二導線組與所述導電層片結構的預定拉伸方向的夾角優選為40°-50°,例如45°,當導電層片被拉伸時,在該預定拉伸方向上,第一導線組與第二導線組之間的夾角變化范圍寬,在此較寬的范圍內,導電網絡會處于新的平衡狀態,從而使形成的導電網層沿著預定拉伸方向具有高拉伸率的同時保持高導電性。所述預定拉伸方向定義為所述導電層片結構承受外力最大/形變量最大的方向。
7、進一步地,在所述第一導線組和/或所述第二導線組中,相鄰的平行導線之間的間距優選為1-500μm,例如1-10μm、10-50μm、50-100μm、100-200μm、200-500μm或上述范圍內的任一值;更優選地,所述第一導線組及第二導線組中各條導線等間隔平行分布,且第一導線組中相鄰平行導線的間距與第二導線組中相鄰平行導線的間距相等,由第一導線組與第二導線組構成的導電網層具有菱形網格結構,使制備得到的導電層片在上述預定拉伸方向上以及垂直于所述預定拉伸方向的方向上均具有優異的可拉伸性能。
8、進一步地,所述導線的寬度為1-500μm,例如1-50μm、50-100μm、100-200μm、200-500μm或上述范圍內的任一值,導線寬度會影響導電層片結構的彈性以及電阻率,寬度越寬,電阻率越低但彈性會降低,反之,則電阻率升高,為使導電層片結構兼具低電阻及良好的彈性,優選地,將導線的寬度控制在1-500μm區間。
9、進一步地,所述導線中納米金屬線的取向與所述導線延伸的方向一致,從而增加第一導線組與第二導線組在拉伸過程中的有效搭接,降低拉伸電阻。
10、進一步地,所述納米金屬線包括納米銀線、納米金線、納米銅線、納米銀包銅線中的一種或多種;優選地,所述納米金屬線的線長為20-80μm,線徑為20-100nm,更優選為線長為45-65μm、線徑為55-65nm的納米金屬線;為降低導電網層在拉伸過程中電阻變化率,采用具有長徑比的納米金屬線制備導電網層,但納米金屬線的線長不可過長,過長的納米金屬線易發生團聚,且難以有效使其取向排布,反而影響導電層片結構在拉伸作用下的電阻穩定性。
11、進一步地,所述導電網層的厚度為100nm-10μm,更優選為500nm-1μm;導電網層的厚度會影響其剛性及電導性,厚度過厚,導電網層的剛性增加,斷裂伸長率降低,不利于拉伸性能,且成本增加;但導電網層的厚度也不可過薄,過薄的導電網層,其阻抗難以達到要求;因此需將導電層片結構中的導電網層的厚度控制在合適區間,例如100nm-10μm中的任一值。
12、進一步地,所述導電層片結構還包括阻尼膠層;所述阻尼膠層設置在所述導電網層的網格內,以提高基材層與導電網層之間的結合力或兩基材層之間的結合力;所述阻尼膠為低應力膠,成型后更柔韌,這類低應力膠可選自鋸片阻尼膠、瞬時阻尼膠、雙組份環氧阻尼彈性灌封膠、環氧阻尼灌封膠、阻燃阻尼絕緣膠中的一種或多種;優選地,所述阻尼膠層的厚度為100nm-10μm。
13、本發明第二方面提供了一種第一方面所述的導電層片結構制備方法包括以下方法:
14、方法一:
15、在第一基材層上沿著第一預設方向和第二預設方向分別平行間隔成型多條導線,形成導電網層;
16、在第一基材層的導電網層面上涂覆第二基材層的預聚物,固化得到所述導電層片結構;或,將包含導電網層的第一基材層與第二基材層相貼合,其中第一基材層的導電網層所在面朝內,復合得到所述導電層片結構;
17、方法二:
18、在第一基材層上沿著第一預設方向平行間隔成型多條導線,形成第一導線組;在第二基材層上沿著第二預設方向平行間隔成型多條導線,形成第二導線組;
19、將包含第一導線組的第一基材層與包含第二導線組的第二基材層相貼合,其中第一導線組與第二導線組所在面朝內,復合得到所述導電層片結構。
20、進一步地,方法一及方法二中,在成型導線前,對所述第一基材層和/或第二基材層的表面進行表面處理,所述表面包括電暈、多聚賴氨酸改性、火焰處理、等離子處理中的一種或多種,提高基材層與導線之間的界面結合力。
21、進一步地,方法一中:所述成型的步驟包括:將納米金屬線分散液通過提拉法、線棒刮涂法、毛細管輔助射流法、絲網印刷法中的一種或多種組合方式涂覆在第一基材層上,固化得到所述導電網層;
22、方法二中:所述成型的步驟包括:將納米金屬線分散液通過提拉法、線棒刮涂法、毛細管輔助射流法、絲網印刷法中的一種或多種組合方式涂覆在第一基材層和第二基材層上,固化得到所述第一導線組及第二導線組。優選地,納米金屬線分散液通過提拉法、線棒刮涂法、毛細管輔助射流法中的一種或多種組合方式進行涂覆。
23、通過提拉法、線棒刮涂法、毛細管輔助射流法涂覆納米金屬線分散液可使納米金屬線取向,與導線延伸方向一致,從而降低第一導線組與第二導線組之間的搭接電阻,且可提高導電網層在拉伸作用下電導率的穩定性。例如采用毛細管輔助射流法可制備納米金屬線規則排列的導線,當納米金屬線分散液流過毛細管時,納米金屬線在毛細管中沿毛細管方向自組裝。
24、進一步地,所述納米金屬線分散液中納米金屬線的質量占比優選為0.5%-2%,更優選為1%-1.5%,納米金屬線在納米金屬線分散液中的質量占比過高易發生團聚,過低則制備的導線中納米金屬線稀疏,影響電導性,因此優選將納米金屬線分散液中的納米金屬線的質量占比控制在0.5%-2%。
25、進一步地,所述納米金屬線分散液中還可包含其它納米金屬材料,所述其它納米金屬材料包括納米金屬片和/或納米金屬顆粒,優選地,所述其它納米金屬材料與所述納米金屬線的比值小于1,在不影響拉伸性能的前提下,通過引入二維或零維納米金屬材料以進一步降低導電層片結構的阻抗。
26、進一步地,方法一中,還包括在第一基材層的導電網層上涂覆阻尼膠的步驟,通過在導電網層與第二基材層相接觸的一面上引入低應力阻尼膠,以提高導電網層與第二基材層之間的結合力;優選地,在導電網層固化后在涂覆阻尼膠。
27、本發明第三方面提供了一種發聲裝置的振膜,所述振膜包括第一方面所述的導電層片結構或第二方面所述制備方法制備得到的導電層片結構,所述導電層片結構用于連接發聲裝置的的音圈與電極,將音圈與電極之間的接觸電阻由線電阻轉變為面電阻。
28、其中,所述導電層片的布置使得在所述預定拉伸方向被配置為與振膜的彈性形變幅度最大的方向相匹配。
29、進一步地,所述第二基材層的兩側各設置有一個由所述第二基材層至所述導電網層的通孔,所述通孔用于連接電極;所述音圈可通過引線與所述導電網層形成電連接,或直接穿透所述第二基材層/第一基材與所述導電網層形成電連接。
30、現有揚聲器中,音圈與電極通過銅線(引線)進行導電連接,之間為線電阻,在揚聲器工作過程中由于振動會導致音圈與電極之間的引線拉伸,從而易出現引線斷裂的風險。本發明制備的上述導電層片結構相較于銅線等,具有更高的彈性拉伸極性,現將音圈引線通過整面導電的導電網層與電極連接,可通過導電層片的彈性形變有效釋放振動過程中所產生的應力,降低引線斷裂的風險;或是直接將音圈穿透頂面與導電網層電連接,音圈與電極之間轉變為了面電阻,提高音圈與電極之間連接的可靠性。
31、與現有技術相比,本發明的有益效果在于:
32、1、本發明提供了一種導電層片結構,具有夾心結構,由上、下柔性基材層以及內層具有平行四邊形網格形狀的導電網層組成,具有該結構的導電網層阻抗低、形狀可變形強且利于應力分散,有利于提高導電層片的導電性及延伸率,且在上下柔性基底對導電網層的保護作用下,使導電層片不僅具有高拉伸率,且阻抗隨著拉伸率的增加變化率低。
33、2、本發明還提供了一種導電層片結構的制備方法,可直接采用納米金屬線分散液在基材表面制備特定圖案的導線,且在無需添加表面活性劑等特定添加劑的情況下,采用特定涂覆方法可使制備的導線中納米金屬線的取向與導線延伸方向一致,使搭接點區域形成微觀網格結構,從而實現高導電性的導電網層的制備,同時可有效降低導電層片結構在拉伸作用下的電阻增長率。上述方法操作簡單,且制備的導電層片結構性能可控,適于大規模制備。
34、3、本發明通過在導電網層結構上的宏觀設計以及在導線中納米金屬線取向的微觀設計,結合上、下柔性基材層的保護作用,使導電層片結構兼具高導電性和高延伸率,在拉伸作用下電阻變化率較低,且回彈性好,可作為振膜用于發聲裝置中,在振動過程中可持續的拉伸、回彈,有效提高了音圈與電極之間電連接的可靠性。