一种高高宽比液态金属图形的制作方法

本发明涉及液态金属，具体涉及一种高高宽比液态金属图形的制作方法。

背景技术：

1、液态金属因流动性好、导电性强、毒性低的特点在柔性显示、柔性传感等领域备受关注，尤其是图形化的液态金属在软体机器人、柔性可穿戴电子、人机交互设备和生物医疗器件中得到广泛应用。

2、传统的液态金属图形化加工方法如注射法、真空辅助吸附法需要大的压强差来破坏液态金属表面氧化膜，从而实现液态金属在微沟槽内的注入和流通，然而当微沟槽截面尺寸减小到微米级时，压强差急剧增大，给加工仪器和微沟槽材料选择带来极大挑战。丝网印刷法需要克服液态金属大的表面张力以使液态金属流过亚毫米级缝隙的镂空板，因此液态金属图形分辨率最大只能达到200μm。选择性表面润湿法、激光烧蚀法可以加工几十微米至几微米分辨率的液态金属图形，但是加工过程需要复杂的工艺步骤及昂贵的仪器，加工效率低，耗时长，因此极大地增加了高分辨率液态金属图形的成本。冷冻浇筑法能制作出线宽为几百微米，高宽比大于1的液态金属结构，是目前液态金属高宽比最大的制作方法，但是其分辨率仍被限制在百微米级，无法实现高分辨率下的高高宽比液态金属图形制作。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述不足之处，本发明的目的在于提供一种高高宽比液态金属图形制作方法。该方法不需要外界仪器提供将液态金属注入到微沟道内的大压强差，不需要复杂的工艺步骤和昂贵的加工仪器，不受液态金属表面氧化膜及表面张力限制，可以在柔性基底上进行高高宽比和高分辨率液态金属图形加工。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种高高宽比液态金属图形的制作方法，该方法包括如下步骤：

4、(1)制备带有微脊的柔性基底：在转动接收基底上利用静电纺丝工艺原位直写纳米纤维，制作线性微脊结构；

5、(2)在柔性基底上制作带有微沟槽的柔性聚合物薄膜：以微脊结构为模具，浇筑制作带有微沟槽的聚合物薄膜；

6、(3)在微沟槽内部嵌入液态金属：首先预拉伸带有微沟槽的聚合物薄膜，然后将液态金属涂覆在聚合物薄膜表面，利用盖玻片刮涂液态金属，使液态金属与微沟槽充分接触；随后，释放聚合物薄膜至初始状态；最后，通过封装制备高高宽比液态金属图形。

7、上述步骤(1)中，制备带有微脊的柔性基底的过程为：将柔性基底包覆于滚筒上作为转动接收基底，利用静电纺丝装置将纺丝材料原位直写到接收基底上，形成光滑的线性微脊结构。

8、上述步骤(1)中，所述柔性基底材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚酰亚胺(pi)、铝箔、锡纸或油膜纸；所述纺丝材料为聚乙烯醇(pva)或聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)；所述线性微脊结构为阵列化的一维微脊结构或二维微脊结构，所述微脊结构高宽比可控。

9、上述步骤(1)中，制备带有微脊的柔性基底的过程中，针尖与转动接收基底之间距离可调，转动速度可调，纺丝电压可调，纺丝时间可调，纺丝材料可调，可根据不同使用需求控制微脊的宽度、高度。

10、上述步骤(2)中，制作带有微沟槽的聚合物薄膜的过程为：以光滑的线性微脊结构为模具，将聚合物前驱体浇筑到微脊结构上，待固化后进行翻模，得到带有微沟槽的聚合物薄膜。

11、上述步骤(2)中，所述聚合物为聚二甲基硅氧烷(pdms)或ecoflex；所述微沟槽深宽比可控。

12、上述步骤(3)中，将聚合物薄膜进行预拉伸时，预拉伸范围可控，并根据沟槽深度及聚合物弹性模量调控。

13、上述步骤(3)中，所述液态金属为镓基液态金属，如：镓铟合金(egain)或镓铟锡合金(galinstan)；所述液态金属可以根据需求更换不同材料，所述的液态金属高宽比可根据不同使用需求控制并进行图形化。

14、本发明方法制作的液态金属图形的高宽比大于5，分辨率大于20μm。

15、本发明的优点和有益效果如下：

16、(1)本发明利用静电纺丝工艺制作微脊结构，微脊的高宽比可由纺丝时间实时调控；同时，转动基底高速旋转可以带来高线速度和大离心力，有利于纺丝纤维溶剂挥发和微脊结构成型；

17、(2)本发明的制作方法不需要昂贵的仪器和复杂的工艺步骤，加工材料易获取，制作成本低；

18、(3)本发明可以实现具有高分辨率的高高宽比液态金属图形制作。

技术特征：

1.一种高高宽比液态金属图形的制作方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的高高宽比液态金属图形的制作方法，其特征在于：步骤(1)中，制备带有微脊的柔性基底的过程为：将柔性基底包覆于滚筒上作为转动接收基底，利用静电纺丝装置将纺丝材料原位直写到接收基底上，形成光滑的线性微脊结构。

3.根据权利要求1所述的高高宽比液态金属图形的制作方法，其特征在于：步骤(1)中，所述柔性基底材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚酰亚胺(pi)、铝箔、锡纸或油膜纸；所述纺丝材料为聚乙烯醇(pva)或聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)；所述线性微脊结构为阵列化的一维微脊结构或二维微脊结构，所述微脊结构高宽比可控。

4.根据权利要求1所述的高高宽比液态金属图形的制作方法，其特征在于：步骤(1)中，制备带有微脊的柔性基底的过程中，针尖与转动接收基底之间距离可调，转动速度可调，纺丝电压可调，纺丝时间可调，纺丝材料可调，可根据不同使用需求控制微脊的宽度、高度。

5.根据权利要求1所述的高高宽比液态金属图形的制作方法，其特征在于：步骤(2)中，制作带有微沟槽的聚合物薄膜的过程为：以光滑的线性微脊结构为模具，将聚合物前驱体浇筑到微脊结构上，待固化后进行翻模，得到带有微沟槽的聚合物薄膜。

6.根据权利要求5所述的高高宽比液态金属图形的制作方法，其特征在于：步骤(2)中，所述聚合物为聚二甲基硅氧烷(pdms)或ecoflex；所述微沟槽深宽比可控。

7.根据权利要求1所述的高高宽比液态金属图形的制作方法，其特征在于：步骤(3)中，将聚合物薄膜进行预拉伸时，预拉伸范围可控，并根据沟槽深度及聚合物弹性模量调控。

8.根据权利要求1所述的高高宽比液态金属图形的制作方法，其特征在于：步骤(3)中，所述液态金属为镓基液态金属；所述液态金属可以根据需求更换不同材料，所述的液态金属高宽比可根据不同使用需求控制并进行图形化。

9.根据权利要求1所述的高高宽比液态金属图形的制作方法，其特征在于：该方法制作的液态金属图形的高宽比大于5，分辨率大于20μm。

技术总结本发明公开了一种高高宽比液态金属图形的制作方法，属于液态金属技术领域。首先，在转动接收基底上利用静电纺丝工艺原位直写纳米纤维，制作线性微脊结构；接着，以微脊结构作为模具，浇筑制作带有微沟槽的聚合物薄膜；然后，预拉伸带有微沟槽的聚合物薄膜；随后，将液态金属涂覆在聚合物薄膜表面，利用盖玻片刮涂液态金属，使液态金属与微沟槽充分接触；随后，释放聚合物薄膜至初始状态；最后，通过封装制备高高宽比液态金属图形。本发明的制作方法不需要外界仪器提供将液态金属注入到微沟道内的大压强差，不需要复杂的工艺步骤和昂贵的加工仪器，不受液态金属表面氧化膜及表面张力限制，可以在柔性基底上进行高高宽比液态金属图形加工。技术研发人员：刘连庆,于海波,郭洪吉,吕孝峰,刘柱受保护的技术使用者：中国科学院沈阳自动化研究所技术研发日：技术公布日：2024/1/16