本發(fā)明涉及可拉伸電子學(xué)領(lǐng)域，具體是指柔性、可拉伸導(dǎo)電復(fù)合材料的制備方案以及該類復(fù)合材料在柔性電子器件中的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，隨著信息技術(shù)和智能技術(shù)的快速發(fā)展，柔性、可穿戴的傳感器、驅(qū)動器、顯示器等電子產(chǎn)品已經(jīng)成為電子器件領(lǐng)域的一個研發(fā)熱點。柔性電子器件的首要要求是集成電路在拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等形變下能夠正常工作。因此，開發(fā)可耐受任意機械形變的導(dǎo)電材料、進而設(shè)計柔性電路，是開發(fā)和制備柔性電子器件的重要基礎(chǔ)。

在傳統(tǒng)的電子器件中，主要功能部件由硅基半導(dǎo)體材料構(gòu)筑而成，并采用金屬材料如金、銅等互連，構(gòu)成集成電路。作為導(dǎo)電互連材料的金、銀、銅等雖然具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，但是金屬材料密度大、易疲勞，無法滿足柔性電子器件可彎曲、可拉伸、質(zhì)量輕的需求。為了獲得柔性的、可拉伸的導(dǎo)電互連材料，目前主要有兩種方法：一種方法是在彈性體表面構(gòu)筑一層具有特殊結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電層，這種“表面覆蓋”的方法可以使導(dǎo)電層在彈性體表面形成褶皺，從而在拉伸過程中保持較穩(wěn)定的電導(dǎo)。但是由于附著導(dǎo)電層較薄，通過這種方法制得的可拉伸導(dǎo)電材料的電阻通常較大，而且受導(dǎo)電層材料本身力學(xué)性能的限制，材料能耐受最大應(yīng)變通常小于20％。另一種方法是將導(dǎo)電填料和彈性基體通過特定的方式復(fù)合，獲得柔性、可導(dǎo)電的復(fù)合材料。這種方法簡單有效，通?？梢垣@得具有較高電導(dǎo)率和較好可拉伸性的材料。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于導(dǎo)電復(fù)合材料的柔性、可拉伸導(dǎo)線及其制備方法，該導(dǎo)線具有質(zhì)輕、成本低廉等優(yōu)勢以及高電導(dǎo)率、拉伸應(yīng)變下高電導(dǎo)穩(wěn)定性等良好的綜合使用性能，制備的過程簡單、無污染，符合材料環(huán)境友好的發(fā)展趨勢。

2.可拉伸導(dǎo)電線纜的制備過程可分為三步，具體如附圖1所示。首先將彈性基體與導(dǎo)電填料通過溶劑輔助分散的方式混合均勻、制成母料，再將母料通過熱壓模塑或流延法制成厚度為10-200微米的薄膜，最后將薄膜裁切為條帶狀、取一條或幾條絞捻成線。導(dǎo)電填料的形貌、含量、分散狀態(tài)對所得復(fù)合材料的電學(xué)性能、力學(xué)性能有著重要影響，為了獲得高電導(dǎo)率、高斷裂伸長率的復(fù)合材料，同時為了降低填料用量、節(jié)省材料成本，應(yīng)優(yōu)選具有高縱橫比的金屬納米材料與碳納米材料共同填充彈性體，構(gòu)成三元復(fù)合材料。另外，將復(fù)合材料薄膜絞捻成線，使復(fù)合材料產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)變，對于提高所得導(dǎo)電線纜在拉伸、釋放循環(huán)過程中的電導(dǎo)穩(wěn)定性有著重要作用。

一種可拉伸導(dǎo)電復(fù)合材料線纜，其特征在于包括兩個主要組成部分：彈性基體和導(dǎo)電填料；彈性基體主要成分為SEBS或TPU(SEBS是苯乙烯(S)-乙烯(E)/丁烯(B)-苯乙烯(S)構(gòu)成的嵌段共聚物，TPU全稱為熱塑性聚氨酯彈性體)類熱塑性彈性體及必要的添加劑如滑石粉、白油等；導(dǎo)電填料包括銀納米線、銅納米線、碳納米管、銀納米片、銅納米片、表面包覆銀的銅納米片、石墨烯納米片中的一種或幾種混合物。

所述的導(dǎo)電填料形貌為一維線狀或二維片狀，縱橫比大于5。

如上所述可拉伸導(dǎo)電復(fù)合材料線纜的制備方法，包括如下步驟：(1)制備母料：將彈性基體與導(dǎo)電填料共混，制得母料；

(2)制膜：利用所得的共混物母料制成導(dǎo)電復(fù)合材料薄膜；

(3)制備線纜：將所得導(dǎo)電復(fù)合材料薄膜切成條帶狀、再絞捻成線形，制得可拉伸導(dǎo)電線纜。

其中步驟(1)中導(dǎo)電填料的體積份數(shù)為5％至20％，導(dǎo)電填料與彈性基體共混方式為溶劑輔助混合。

步驟(2)中復(fù)合材料薄膜成型的方法為熱壓模塑成膜或流延成膜，所得薄膜厚度在10-200微米之間。

步驟(3)是先將復(fù)合材料薄膜裁切為寬度1至5毫米的細(xì)條，取一條或幾條，固定其一端、繞軸向轉(zhuǎn)動另一端，將條狀薄膜絞捻成線。

該類可拉伸的柔性導(dǎo)線由彈性基體與導(dǎo)電填料復(fù)合而成。彈性基體的力學(xué)性質(zhì)為復(fù)合材料優(yōu)良的拉伸性能提供了支撐。另外本發(fā)明選擇SEBS、TPU(彈性形變高于500％)類熱塑性彈性體作為基體，這種彈性體通過物理方式構(gòu)成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，有別于典型的通過化學(xué)鍵交聯(lián)的彈性體，這些彈性體可方便地通過熔融法、溶液法加工成型，材料失效后也方便回收再加工。導(dǎo)電填料均勻分散在彈性基體中，彼此搭接構(gòu)成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。填料選擇兼具高本征電導(dǎo)率和高縱橫比的一維線形或二維片狀納米材料，如銀納米線、銀納米片、銅納米線、銅納米片、表面包覆銀的銅納米片、碳納米管、石墨烯等。填料高的電導(dǎo)率有利于獲得高電導(dǎo)率的復(fù)合材料，而高的縱橫比有利于在低填充量下實現(xiàn)完善的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

本發(fā)明導(dǎo)電復(fù)合材料線纜可應(yīng)用于柔性、可拉伸電子器件的導(dǎo)電連接，該線纜電導(dǎo)率高、可耐大幅拉伸，電導(dǎo)率可達(dá)10³S/cm，彈性應(yīng)變可達(dá)500％，反復(fù)拉伸釋放10000次電阻變化小于10％。該導(dǎo)線具有質(zhì)輕、成本低廉等優(yōu)勢以及高電導(dǎo)率、拉伸應(yīng)變下高電導(dǎo)穩(wěn)定性等良好的綜合使用性能，制備的過程簡單、無污染，符合材料環(huán)境友好的發(fā)展趨勢。

附圖說明

圖1為可拉伸導(dǎo)電線纜的制備過程圖，

圖2為含不同體積分?jǐn)?shù)導(dǎo)電填料的二元復(fù)合體系以及三元復(fù)合體系的電導(dǎo)率示意圖，

圖3為可拉伸導(dǎo)電線纜的電阻在交替拉伸至100％應(yīng)變、釋放循環(huán)測試過程中的變化圖。

具體實施方式

下面通過實施例對本發(fā)明進行具體描述，有必要指出，以下實施例只用于對本發(fā)明作進一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，該領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護范圍。

實施例1：材料的制備

(1)按照體積百分比稱取以下物料：SEBS彈性體80％、表面包覆銀的銅納米片15％、碳納米管5％；

(2)使用N,N-二甲基甲酰胺為溶劑，分別制備SEBS的溶液以及導(dǎo)電填料的分散液，將二者混合均勻后再倒入乙醇中進行絮凝，經(jīng)過濾、干燥、切粒后得到導(dǎo)電復(fù)合材料母料；

(3)將所得復(fù)合材料母料在200℃、10MPa下熱壓成膜，通過使用不同的模具來控制膜厚；

(4)將所得復(fù)合材料薄膜裁切成寬度為2mm的條帶，固定其一端，將另一端與電機相連使其繞軸旋轉(zhuǎn)、絞捻成線?？刂齐姍C轉(zhuǎn)數(shù)，使復(fù)合材料條帶在其長度方向上產(chǎn)生20％的收縮。

實施例2：含不同體積分?jǐn)?shù)導(dǎo)電填料的可拉伸線纜電導(dǎo)率測試

對于根據(jù)實施例1中所述試驗方法制備得到的含不同體積分?jǐn)?shù)導(dǎo)電填料的可拉伸導(dǎo)電線纜，分別測試其體積電導(dǎo)率，典型結(jié)果如附圖2所示：下方的曲線代表導(dǎo)電填料只有銀包銅納米片的二元復(fù)合體系，可以看到隨著填料含量的增加，可拉伸導(dǎo)線的電導(dǎo)率在逐漸增加；上方的曲線代表導(dǎo)電填料為銀包銅納米片和碳納米管的三元復(fù)合體系，可以看到，當(dāng)導(dǎo)電填料的總體積相同時，三元復(fù)合體系的電導(dǎo)率較二元復(fù)合體系的電導(dǎo)率要高。測得的可拉伸導(dǎo)電線纜的體積電導(dǎo)率可大于1000S/cm。

實施例3：可拉伸導(dǎo)電線纜交替拉伸、釋放循環(huán)對電導(dǎo)率的影響測試

將按照實施例1中所述方法制得的可拉伸導(dǎo)電線纜單軸拉伸至100％應(yīng)變，然后釋放拉力使彈性的導(dǎo)電線纜回縮至初試長度，測試其電導(dǎo)率。重復(fù)10000次拉伸、釋放實驗，所得的循環(huán)測試對電導(dǎo)率的影響結(jié)果如附圖3，在經(jīng)受10000次拉伸、釋放的循環(huán)測試后電導(dǎo)變化小于10％。