CN106847688A - 一种基于双轴预拉伸的可拉伸电极制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于双轴预拉伸的可拉伸电极制备方法，该方法包括可拉伸衬底材料、双轴预拉伸、导电材料淀积和预拉伸恢复；所述的可拉伸衬底材料是在承受外力的情况下易发生形变而不容易断裂的材料；所述的双轴预拉伸是对可拉伸衬底材料施加两个垂直方向的外力，使之发生双轴形变的过程；所述的导电材料淀积是利用物理、化学方法在预拉伸的衬底上制备导电薄膜的过程；所述拉伸恢复是在淀积导电材料之后，卸去衬底材料的外部载荷使衬底材料恢复到原来尺寸的过程。本发明提出的导电电极制备方法实现了高可拉伸性，高电导率，高稳定性和低成本的电极材料的制备，并且在很大的拉伸程度下具备良好的导电性能，拓展了导电材料的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及可拉伸电子器件领域，具体涉及一种基于双轴预拉伸的可拉伸电极制备方法。
背景技术
随着科技水平的不断提高，人们希望通过电子设备随时对自己的身体状况进行更好的监测，如运动状态，呼吸状况，体温和血压等各项身体和生理指标。基于这样的需求和人体各部位对可拉伸特性的依赖，可拉伸材料成为检测人体指标的重要材料。作为电学信号产生、采集和传导的基础材料，高可靠的可拉伸导电材料成为制备可拉伸电极和可拉伸器件的关键。如何制备具有高可拉伸性，高电导率，高稳定性和低成本的电极材料已经成为许多研究者关注的话题。
在现有的研究成果中，主要通过三种方案制备可拉伸性能的电极材料。第一：通过在可拉伸衬底中添加导电的纳米材料，金属纳米线和碳纳米管等常被用为这样的填充材料；第二，生长具有固有缺陷的金属薄膜；第三，在衬底表面制备U型/Z型的金属薄膜。前两种方法具有不稳定的导电性和有限的可拉伸性；第三种方法中制备的金属薄膜的表面应力，严重影响其导电性和稳定性。这一点在多次拉伸之后尤为明显。
为了突破这样的限制，一些研究人员把金电极转移到具有栅槽结构的可拉伸衬底上，实现了导电性能，拉伸性能和稳定性都较好的金属电极。不过该方法工艺复杂性较高，且有手工贴合步骤，较难实现大面积、高可靠和低成本的制作。
发明内容
本发明的实施例提供了一种基于双轴预拉伸的可拉伸电极制备方法，实现高可拉伸性，高电导率，高稳定性和低成本的电极材料的制备。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一种基于双轴预拉伸的可拉伸电极制备方法，其特征在于，包括:
选取可拉伸的衬底材料，对所述可拉伸的衬底材料进行双轴预拉伸；
利用物理或者化学方法在双轴预拉伸后的衬底材料上淀积导电材料；
卸去所述衬底材料的外部载荷，对所述衬底材料进行拉伸恢复，恢复到原来的尺寸。
所述可拉伸的衬底材料为聚二甲基硅氧烷的聚合物或者其他橡胶材料。
利用外力先对所述可拉伸的衬底材料进行单轴拉伸，再进行另一轴的拉伸；或者，利用外力同时对所述可拉伸的衬底材料进行两个轴向拉伸。
拉伸方向采用相互垂直的两个方向，预拉伸的比例可在拉伸材料的弹性限度内自行调节。
所述的导电材料为金属导电材料或者银纳米线或者碳纳米管或者石墨烯。
所述物理方法为物理气相沉积、喷涂、丝网印刷的制备导电材料方法；所述化学方法为化学气相沉积的制备导电材料方法。
当卸去所述衬底材料的外部载荷后，衬底材料会发生拉伸反方向的收缩，导电材料受到衬底材料施加的剪切应力，表面形貌会由原先的平坦平面变为具有上下起伏的褶皱结构；
所述衬底材料的可拉伸性能决定了在此衬底材料上实现导电材料的可拉伸性的上限，后续当所述衬底材料再次被拉伸时，拉伸在所述导电材料的预拉伸比例之内，所述导电材料的表面结构会重新被拉伸开来，而不会发生断裂。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提出的导电电极制备方法使不具备拉伸特性的导电材料实现可拉伸的功能，并且在很大得拉伸条件下具备良好的导电性能，极大的拓展了导电材料的应用范围；该制备方法对衬底和导电材料没有苛刻要求，能适用于大部分常见可拉伸衬底和导电材料。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的 一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的实施例提供了一种基于双轴预拉伸的可拉伸电极制备方法的工艺流程侧视图；
图2为本发明的实施例提供了一种基于双轴预拉伸的可拉伸电极制备方法的材料单轴预拉伸的俯视图；
图3为本发明的实施例提供了一种基于双轴预拉伸的可拉伸电极制备方法的双轴预拉伸俯视图；
图4为本发明的实施例提供了一种基于双轴预拉伸的可拉伸电极制备方法的单轴预拉伸的电极在释放拉力时产生的应力情况示意图；
图5为本发明的实施例提供了一种基于双轴预拉伸的可拉伸电极制备方法的双轴预拉伸的电极在释放拉力时产生的应力情况示意图；
图6为本发明的实施例提供了一种基于双轴预拉伸的可拉伸电极制备方法的单轴预拉伸金电极表面形貌(未释放(a)和已释放(b)拉力情况)示意图；
图7为本发明的实施例提供了一种基于双轴预拉伸的可拉伸电极制备方法的双轴预拉伸金电极表面形貌及在不同比例后续拉伸情况下的表面形貌示意图；
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
实施例：
利用本发明描述的方法在PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)衬底上进行双轴预拉伸金电极的制备及相关性能测试；如图1至5所示描述了基本的制备流程和机理分析，图6至7展示了金电极的制备实例。
图1为本发明的实施例提供了一种基于双轴预拉伸的可拉伸电极制备方法的工艺流程侧视图；如图1所示，分为四个步骤，分别是：
步骤(a)：制备PDMS衬底，选取可拉伸的衬底材料；
所述可拉伸的衬底材料为聚二甲基硅氧烷的聚合或者橡胶材料。
步骤(b)：对所述可拉伸的衬底材料进行双轴预拉伸；
利用外力先对所述可拉伸的衬底材料进行单轴拉伸，再进行另一轴的拉伸，或者，利用外力同时对所述可拉伸的衬底材料进行两个轴向拉伸。
拉伸方向采用相互垂直的两个方向，预拉伸的比例可在拉伸材料的弹性限度内自行调节。
图2和图3展示了两种预拉伸方式，即：单轴拉伸与双轴拉伸；如图3、图4所示：由于一般的弹性材料具有正的泊松比，因而在单轴(x轴方向)拉伸时，垂直方向(y轴方向)收缩，通过双轴预拉伸可以使x和y轴方向都产生拉伸。
步骤(c)：磁控溅射金电极，利用物理或者化学方法在双轴预拉伸后的衬底衬底上淀积导电材料；
所述物理方法为物理气相沉积、喷涂、丝网印刷的制备导电材料方法；所述化学方法为化学气相沉积的制备导电材料方法。
所述的导电材料为金属导电材料或者银纳米线或者碳纳米管或者石墨烯。
图4和图5展示了在两种预拉伸情况下淀积金电极的拉力释放阶段，即：单轴预拉伸与双轴预拉伸，金表面所受的应力情况；如图4所示：在单轴拉伸时，金电极在x轴方向有向内的应力，该应力使金电极表面产生局域卷曲，形成褶皱类的表面形貌；y方向有向外的应力，该应力使金电极发生拉伸，在x方向预拉伸较大的情况，该拉伸应力会使金电极断裂。而在图5所示的双轴拉伸中，由于预拉伸的比例弥补了正泊松比带来的影响，因而金在y方向上也发生收缩，不会发生断裂。
步骤(d)：拉力释放，卸去所述衬底材料的外部载荷，对所述衬底材料进行拉伸恢复，恢复到原来的尺寸。
当卸去所述衬底材料的外部载荷后，衬底材料会发生拉伸反方向的收缩，导电材料受到衬底材料施加的剪切应力，表面形貌会由原先的平坦平面变为具有上下起伏的褶皱结构；
所述衬底材料的可拉伸性能决定在此衬底材料上实现导电材料的可拉伸性的上限，后续当所述衬底材料再次被拉伸时，拉伸在所述导电材料的预拉伸比例之内，所述导电材料的表面结构会重新被拉伸开来，而不会发生断裂。
图6为单轴预拉伸金电极表面形貌(未释放(a)和已释放(b)拉力情况)示意图，如图6所示：当金电极溅射到PDMS表面后，未释放预拉伸力前(图6(a))，金电极具有平整且连续的表面；释放拉伸力之后(图6(b))，x方向具有较为规律的褶皱结构；y方向则产生较为严重的断裂情况。
图7为双轴预拉伸金电极表面形貌及在不同比例后续拉伸情况下的表面形貌示意图，如图7所示：释放拉伸力之后，在x和y方向都产生褶皱结构，由于是两个方向褶皱的叠加，因而形貌较为复杂，当该结构在x轴方向发生拉伸时，可以看出x方向的褶皱渐渐变为平坦；y方向的结构逐渐被凸显出来，当拉伸程度达到甚至超过预拉伸比例时，会在x方向产生明显的金薄膜断裂，此时会严重影响金电极的导电性能。
以上对本发明所提供的一种利用双轴预拉伸法制备可拉伸导电电极的方法进行了详细介绍，同时参照附图对本申请的示例性的实施方案进行了描述。本领域技术人员应该理解，上述实施方案仅仅是为了说明的目的而所举的示例，而不是用来进行限制，凡在本申请的教导和权利要求保护范围下所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本申请要求保护的范围内。
综上所述，本发明实施例通过提出的导电电极制备方法使不具备拉伸特性的导电材料实现可拉伸的功能，并且在很大得拉伸条件下具备良好的导电性能，极大的拓展了导电材料的应用范围；该制备方法对衬底和导电材料没有苛刻要求，能适用于大部分常见可拉伸衬底和导电材料；本发明提出的电极材料的制备方法工艺简单，成本低，将对电极进行处理的复杂工艺过程转换为对可拉伸衬底的简单操作，易于实现大面积制备及图形化。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易 想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种基于双轴预拉伸的可拉伸电极制备方法，其特征在于，包括:
选取可拉伸的衬底材料，对所述可拉伸的衬底材料进行双轴预拉伸；
利用物理或者化学方法在双轴预拉伸后的衬底材料上淀积导电材料；
卸去所述衬底材料的外部载荷，对所述衬底材料进行拉伸恢复，恢复到原来的尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种基于双轴预拉伸的可拉伸电极制备方法，其特征在于，所述可拉伸的衬底材料为聚二甲基硅氧烷的聚合物或者其他橡胶材料。
3.根据权利要求2所述的一种基于双轴预拉伸的可拉伸电极制备方法，其特征在于，所述的对所述可拉伸衬底材料进行双轴预拉伸，包括：
利用外力先对所述可拉伸的衬底材料进行单轴拉伸，再进行另一轴的拉伸；
或者，
利用外力同时对所述可拉伸的衬底材料进行两个轴向拉伸。
4.根据权利要求3所述的一种基于双轴预拉伸的可拉伸电极制备方法，其特征在于，拉伸方向采用相互垂直的两个方向，预拉伸的比例可在拉伸材料的弹性限度内自行调节。
5.根据权利要求4所述的一种基于双轴预拉伸的可拉伸电极制备方法，其特征在于，所述的导电材料为金属导电材料或者银纳米线或者碳纳米管或者石墨烯。
6.根据权利要求5所述的一种基于双轴预拉伸的可拉伸电极制备方法，其特征在于，所述物理方法为物理气相沉积、喷涂、丝网印刷的制备导电材料方法；所述化学方法为化学气相沉积的制备导电材料方法。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种基于双轴预拉伸的可拉伸电极制备方法，其特征在于，所述的卸去所述衬底材料的外部载荷，对所述衬底材料进行拉伸恢复，恢复到原来的尺寸，包括：
当卸去所述衬底材料的外部载荷后，衬底材料会发生拉伸反方向的收缩，导电材料受到衬底材料施加的剪切应力，表面形貌会由原先的平坦平面变为具有上下起伏的褶皱结构；
所述衬底材料的可拉伸性能决定了在此衬底材料上实现导电材料的可拉伸性的上限，后续当所述衬底材料再次被拉伸时，拉伸在所述导电材料的预拉伸比例之内，所述导电材料的表面结构会重新被拉伸开来，而不会发生断裂。
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