哈工大开发使用固化液态金属构建 3D 柔性电子产品新工艺

哈工大开发使用固化液态金属构建 3D 柔性电子产品新工艺

近年来，工程师和材料科学家一直在努力寻找特别有前途的材料，用于制造不同形状和尺寸的柔性电子产品。最终，这些电子设备可以集成到可穿戴设备（例如，智能手表和医疗设备以监测生物信号）、软机器人和其他系统中。

可用于制造可拉伸电子产品的多种材料是基于镓合金的液态金属，其本质上是包括镓在内的金属混合物。液态镓合金具有固有的流动性和高导电性，这是制造软质或柔性电子产品的两个有利特性。

然而，到目前为止，使用任何液态金属构建三维（3D）电路已被证明具有挑战性。这限制了使用液态镓合金可以创建的结构，阻碍了它们广泛用于制造柔软和可拉伸的电子设备。

哈尔滨工业大学和中国科学院的研究人员最近使用液态镓 - 铟合金制造了具有3D电路的柔性电子产品。他们的论文发表在Nature Electronics上，确定了具有开发柔性电子产品的合适品质的镓合金，包括固液相变，机械强度和固态下的良好塑性。

“我们表明，通过利用液态金属的固液相变和塑性变形，镓 - 铟合金可用于制造具有3D电路的柔性电子产品，”李国强和他的同事在他们的论文中写道。

为了使用镓铟合金制造柔性电子产品，Gaa10在研究中，研究人员首先将合金的大量样品冷却到低温。这个过程使他们能够将材料塑造成实心金属丝和薄片。

“固体但可塑性可变形的合金线在低温（低于15摄氏度）下被塑造成电路并封装在弹性体中，然后被加热到熔化温度以上，”李和他的同事在他们的论文中解释说。“随后，过冷效应使合金在很宽的温度范围内保持液态，包括低于熔点。

通过将预制的液态金属结构封装在弹性体中并将它们加热到22.7摄氏度以上，该团队确保这些结构恢复了流动性。该过程产生了可拉伸的液态金属，可以导电，因此可用于制造柔性电子元件。

多层柔性电路板的制作方案

“我们使用该技术制造高灵敏度应变传感器，用于集成发光二极管（LED）阵列的三维互连拱门，以及用于监测手指运动的三维可穿戴传感器和多层柔性电路板，”研究人员在他们的论文中写道。

在最初的测试中，创造的合金结构已被证明对柔性电子产品的发展非常有利。为了展示它们在电子产品中的潜在应用，该团队使用这些结构来创建各种电子设备，包括应变传感器，用于集成LED的互连和用于监控手指运动的电子系统。

手势感应手套及其应用.a） 显示应变传感器安装在手套上。b） 手指弯曲和矫直的运动检测执行不同的手势。

未来，创建基于镓 - 铟合金的柔性电子产品的新提出的策略可用于制造基于其他合金和材料的类似液态金属结构。此外，李和他的同事创造的合金结构很快就会用于制造可拉伸的电子产品，包括可穿戴设备和软机器人系统的组件。