一种直写打印柔性电路的制备方法及应用

本发明属于柔性电路领域。

背景技术：

1、随着全球化石燃料的逐渐耗尽以及化石燃料的使用带来的一系列环境问题，全世界范围内都将清洁能源的发展列入战略发展内容，以期实现低碳经济和新旧动能转换。风能作为清洁和可再生能源之一，展现出极具发展潜力的环境友好性和巨大的经济效益。然而对风力发电技术而言，气候条件在很大程度上限制了风力发电的稳定性，从而限制了其在电网中的应用。减少风能利用过程中的随机性增加其工作稳定性是目前风力发电亟待解决的技术难题。风电叶片是风机体系中的核心组成，基于其需要对风能进行捕获的需求必须设计一定的气动外形，而当其接触到超时的冷空气时可能导致表面附着冰霜从而破坏其气动外形进而极大影响风力发电的效率，根据统计结果，每年因冰霜导致的风电发电量的损失可达5％-30％。此外，额外的叶片负重造成的转动失衡会导致过量的振动产生，甚至可能会导致机组负荷过大从而对机组造成不可逆的损伤。传统的叶片加热电路由于采用本征不可拉伸导体制备，因此在叶片高频应变下容易发生断路从而失去除霜效果，因此急需一种适用于高频应变的柔性风电叶片加热除霜技术来解决这一技术问题。

技术实现思路

1、本发明要解决现有风电叶片加热电路随叶片高频形变过程中失效的问题，进而提供一种直写打印柔性电路的制备方法及应用。

2、一种直写打印柔性电路的制备方法，它是按以下步骤进行的：

3、一、制备液态金属粒子：

4、去除液态金属液滴表面氧化层，然后通过超声破碎将液态金属液滴破碎为液态金属粒子；

5、二、制备直写3d打印用液态金属浆料：

6、向液态金属粒子中加入柔性材料并混合均匀，得到直写3d打印用液态金属浆料；

7、所述的直写3d打印用液态金属浆料中液态金属粒子的质量百分数为30％～90％；

8、三、直写3d打印法打印电路：

9、利用直写3d打印用液态金属浆料在初始基底上直写3d打印电路结构，烘干固化，得到打印有电路结构的初始基底；

10、四、机械烧结与电路结构的转移：

11、在初始基底打印有电路结构的一侧设置一层柔性基底材料并固化，形成柔性基底，将柔性基底与初始基底剥离，电路结构转移至柔性基底上并实现导电通路的连通，得到附有电路结构的柔性基底；

12、五、柔性电路的接口引出与封装：

13、从附有电路结构的柔性基底的电路端口处引出导线，并使用柔性物质进行封装处理，即完成直写打印柔性电路的制备方法。

14、一种直写打印柔性电路的应用，它用于风力发电机叶片柔性加热除霜。

15、本发明的有益效果是：

16、1、本发明提出了一种液态金属/聚合物复合浆料diw成型与打印电路中液态金属粒子的导电通路激活方式，所打印制备的电路电导率可达105s/m数量级，同时，diw成型的方法极大程度上做到了按需分配材料的原则，节约成本，而对于柔性材料的可选性进一步拓展了本发明的适用范围，可以以此方法制备多种柔性材料为包覆层的柔性电路。

17、2、本发明电路结构以液态金属为导电材料，由于柔性物质基的存在，所制备的电路在机械烧结(剥离转移过程)中无明显的液态金属泄露现象存在，且内部液态金属仍以粒子形式存在，并在电路成型后以柔性物质作包覆材料，具有较为稳定的导电能力在柔性电路、电子通信、软机器人等领域具有较为广泛的应用潜力，即柔性物质的加入赋予浆料较好的可打印性和经济性以及更好的稳定性，

18、3、本具体实施方式通过剥离的手段将电路结构转移至柔性材料上并完成电路内部液态金属粒子的导电通路的激活连通，即此种液态金属形成导电通路的方法制备的导线电路通过形成内部渗流网络结构的方式联通。

19、4、结合液态金属同时满足形变能力与导电能力的特性，制备出的柔性电路可以在100％应变下保持导电连通性和电阻的相对稳定性，并且在高频应变的服役环境下具有较小的电导率衰减(100％应变循环1000次电阻无明显衰减，循环过程中电阻仅波动0.1ω)，即以本方法制备的柔性电路可以在较大的拉伸状态下保持连通与正常工作，具有较好的机电耦合性能和拉伸电阻稳定性，可以在高频大应变的服役环境下保持其工作稳定，解决了风电叶片加热电路随叶片高频形变过程中失效的技术问题，从而可以在一定程度上提高风力发电机对气候的耐受性，进而提高风力发电机的发电效率。

20、说明书附图

21、图1为实施例一步骤一制备的液态金属粒子的sem图；

22、图2为实施例一步骤二制备的直写3d打印用液态金属浆料的光学显微照片；

23、图3为实施例一步骤二制备的直写3d打印用液态金属浆料的流变特性曲线；

24、图4为实施例一步骤四制备的附有电路结构的柔性基底的显微结构；

25、图5为实施例一步骤四所述的聚四氟乙烯模具的结构示意图；

26、图6为实施例一步骤三制备的打印有电路结构的初始基底示意图；

27、图7为实施例一步骤三至步骤四的过程示意图；

28、图8为实施例一步骤五制备的直写打印柔性电路在100％应变下的拉伸电阻变化(拉伸速率10mm/s)；

29、图9为利用实施例一步骤五制备的直写打印柔性电路制备的柔性led灯电路；

30、图10为实施例一、三及四步骤二中直写3d打印用液态金属浆料制备的测试样件的电阻率以及不同位点电导率的均匀性表征。

技术特征：

1.一种直写打印柔性电路的制备方法，其特征在于它是按以下步骤进行的：

2.根据权利要求1所述的一种直写打印柔性电路的制备方法，其特征在于步骤一中所述的液态金属液滴为镓或镓合金的室温液态金属液滴。

3.根据权利要求1所述的一种直写打印柔性电路的制备方法，其特征在于步骤一中所述的去除液态金属液滴表面氧化层，具体是将naoh溶液或hcl溶液与液态金属混合，然后静置3min～5min，最后吸出处理过的液态金属，即完成去除液态金属液滴表面氧化层，所述的naoh溶液的浓度为1mol/l～2mol/l，所述的hcl溶液的浓度为1mol/l～2mol/l，所述的naoh溶液或hcl溶液与液态金属的体积比为10:(1～2)；步骤一中通过超声破碎将液态金属液滴破碎为液态金属粒子，具体是以无水乙醇为超声介质，将液态金属液滴加入到乙醇中，在冰水浴、超声细胞破碎仪功率为100w～150w及变幅杆底部距离液滴上表面的距离为5mm～10mm的条件下，超声30s～60s，且超声过程中，每超声3s～5s，停止超声5s～7s，最后烘干至乙醇完全挥发，得到液态金属粒子。

4.根据权利要求1所述的一种直写打印柔性电路的制备方法，其特征在于步骤二中向液态金属粒子中加入含有柔性材料的溶液混合均匀，具体是利用真空搅拌脱泡机，在真空脱泡机混合转速为500r/min～2400r/min的条件下，搅拌5min～10min。

5.根据权利要求1所述的一种直写打印柔性电路的制备方法，其特征在于步骤二中所述的柔性材料为胶粘剂、柔性预聚体、树脂、水凝胶或硅橡胶；步骤二中所述的直写3d打印用液态金属浆料在剪切速率30s-1的条件下粘度为200mpa·s～16000mpa·s。

6.根据权利要求1所述的一种直写打印柔性电路的制备方法，其特征在于步骤三中利用直写3d打印用液态金属浆料在初始基底上直写3d打印电路结构，具体是将直写3d打印用液态金属浆料装入点胶针管，在打印机喷嘴距离初始基底表面的高度为0.05mm～0.3mm、气压为4psi～40psi、打印速度为1mm/s～20mm/s及喷嘴直径为0.1mm～0.25mm的条件下，在初始基底上进行电路打印。

7.根据权利要求1所述的一种直写打印柔性电路的制备方法，其特征在于步骤三中所述的初始基底为pet膜、氧化铝陶瓷板、氮化硅陶瓷板、玻璃或pvc膜；步骤四中所述的柔性基底材料为水性聚氨酯或硅橡胶；步骤四中设置一层厚度为0.5mm～1mm的柔性基底材料。

8.根据权利要求1所述的一种直写打印柔性电路的制备方法，其特征在于步骤三中所述的烘干固化具体是在温度为60℃～80℃的条件下，烘干4h～10h；步骤四中所述的固化具体是在室温固化12h～24h，然后在温度为80℃～150℃的条件下，退火处理4h～6h。

9.根据权利要求1所述的一种直写打印柔性电路的制备方法，其特征在于步骤五中从附有电路结构的柔性基底的电路端口处引出导线，具体是按以下步骤进行：先在附有电路结构的柔性基底的电路端口处点涂低温导电银胶并烘干，然后在烘干后的导电银胶上滴加一滴液态金属液滴，最后以厚度为0.05mm～0.1mm的铜箔为引出导线，从附有电路结构的柔性基底的电路端口处引出导线。

10.如权利要求1制备的一种直写打印柔性电路的应用，其特征在于它用于风力发电机叶片柔性加热除霜。

技术总结
一种直写打印柔性电路的制备方法及应用，它属于柔性电路领域。本发明要解决现有风电叶片加热电路随叶片高频形变过程中失效的问题。方法：一、制备液态金属粒子；二、制备直写3D打印用液态金属浆料；三、直写3D打印法打印电路；四、机械烧结与电路结构的转移；五、柔性电路的接口引出与封装。本发明用于直写打印柔性电路的制备及应用。

技术研发人员：周国相,孔畅,杨治华,贾德昌,周玉
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12