一种柔性可拉伸温控导体绝缘体可逆转变材料及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种柔性可拉伸温控导体绝缘体可逆转变材料及其应用。所述柔性可拉伸温控导体绝缘体可逆转变材料包括：液态金属、柔性基料；所述液态金属与柔性基料的体积比为1：(0.15‑10)。所述材料具有如下优势：制备方法简单，电阻变化范围大，响应速度快、可重复性好，可拉伸性强(780％)，可以3D打印。所述材料可在诸多领域都有着很广泛的应用，如将该材料进一步制作成柔性温度开关、温度传感器、可拉伸半导体、阻变式存储器，低温自动保护装置。

A flexible temperature control conductor insulator reversible transition material and its application

The invention relates to a flexible extensible temperature control conductor insulator reversible transformation material and an application thereof. The flexible temperature control conductor insulator reversible transformation material includes: liquid metal and flexible base material; the volume ratio of the liquid metal and flexible base material is 1: (0.15-10). The material has the following advantages: the preparation method is simple, the resistance changes in a wide range, the response speed is fast, the repeatability is good, the extensibility is strong (780%), and it can be 3D printed. The material can be widely used in many fields, such as making the material into flexible temperature switch, temperature sensor, stretchable semiconductor, resistance variable memory and low-temperature automatic protection device.

【技术实现步骤摘要】
一种柔性可拉伸温控导体绝缘体可逆转变材料及其应用
本专利技术属于导体绝缘体转换材料领域，具体涉及一种柔性可拉伸温控导体绝缘体可逆转变材料及其应用。
技术介绍
通过温度改变导电性的材料在很多领域都有着很广泛的应用，诸如智能开关、传感器、半导体、阻变式存储器。传统的温控导体绝缘体转变材料包括莫特绝缘体、金属氧化物、钙钛矿、有机膜片等，基本都是由固体刚性材料组成，没有柔性和可拉伸性，无法承受拉伸、弯折、变形，因此限制了其在柔性电子、与人直接交互的可穿戴电子等领域中的应用。为了改善传统温控导体绝缘体转变材料的柔性可拉伸性能，研究者们将一些填充材料与柔性硅胶等材料混合；填充材料主要有碳纳米管、石墨烯以及固态金属颗粒等，但所得复合材料存在如下缺点：电阻变化范围小、只能通过压力刺激电阻改变、拉伸性差，制作工艺复杂等。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术特提供一种基于液态金属的柔性可拉伸温控导体绝缘体可逆转变(TransitionalInsulatorandConductor,TIC)材料。所述材料由特定比例的液态金属和柔性基料均匀搅拌而成，制备工艺简单。所述材料具有电阻变化范围大，响应速度快、可重复性好，可拉伸性强，可以3D打印等特点，可在诸多领域都有着很广泛的应用。本专利技术的技术方案如下：一种基于液态金属的柔性可拉伸温控导体绝缘体可逆转变材料，其含有液态金属、柔性基料；所述液态金属与柔性基料的体积比为1：(0.15-10)；优选体积比为1：(0.25-4)，进一步优选1：(1-2)，更优选1:1.5。经试验验证，当液态金属与柔性基料的体积比达到1:1.5时，所得材料的可逆转变性能优于其他比例。当低于此比例时，二者较难混合均匀，从导体恢复为绝缘体的响应速度同比减慢；当高于此比例时，则较难实现从绝缘体到导体的转变降低。所述液态金属选自低熔点液态金属，优选镓基合金、铟基合金或铋基合金中的一种或多种组合；例如GaIn24.5、Ga。所述柔性基料包括硅胶和/或粘性液体，其作为包裹液态金属的绝缘外壳，实现导体绝缘体的自动转变。所述硅胶选自柔性硅胶，优选聚二甲基硅氧烷(PDMS)、AB胶(Ecoflex)、聚甲基乙烯基硅氧烷或聚甲基氢硅氧烷中的一种或多种混合。所述粘性液体选自硅油、甘油等。本专利技术还提供上述基于液态金属的柔性可拉伸温控导体绝缘体可逆转变材料的制备方法，包括：将液态金属、硅胶混合，搅拌，浇筑，固化，即得。研究表明，在上述质量比例范围内，混合搅拌时间对导电转变效果有实质性影响；经试验确定，所述搅拌条件为：速度600-650r/min，搅拌时间为60-180s，进一步优选为120s，在此条件下所得材料的导体绝缘体可逆转变性能更优；若搅拌时间过长，如超过180s，则低温下所述材料无法实现导电转换现象。如图1所示。在所述固化过程中，可通过加热实现加速固化，或加入缓凝剂增加固化时间。但若固化时间少于10分钟，则较难得到导体绝缘体可逆转变材料。本专利技术还提供所述基于液态金属的柔性可拉伸温控导体绝缘体可逆转变材料在柔性电子领域中的应用，所述柔性电子可为自动启动装置、自动报警装置、柔性温度开关，温度传感器，可拉伸半导体，阻变式存储器等等。由于所述导体绝缘体可逆转变材料可承受温度跨度大，还可以应用于极端环境中，如外太空，火星，月球等温度转变较大的区域。本专利技术还提供一种柔性可拉伸温控导体绝缘体可逆转变材料的使用方法，包括：通过改变温度(低温/高温)刺激导体/绝缘体可逆转变。具体地，所述低温调节方式为低温冰箱、液氮、干冰等手段；所述高温调节方式为加热板，热水，加热枪等。例如，所述材料在低温下表现为导体，在室温或者高温下表现为绝缘体。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：本专利技术首次获得了可以拉伸至780％倍且通过温控实现导电绝缘体快速转换的材料。将该材料利用室温液态金属相变引起的体积改变作为导体绝缘体转换的核心，通过柔性材料的玻璃化失去弹性使得液态金属的膨胀接触成为可能。所述可逆转变材料在室温下是绝缘材料，在低温诱导下瞬间转变成导体，电阻变化超过109倍，且这种导体绝缘体的转变是可逆的，重复上百次没有明显结构损伤和导电性能下降。本专利技术所得材料的特点如下：可拉伸性强(780％)、电阻变化范围大(109)、温控响应速度快(3秒)、电阻变化可逆重复性好(>1000次)，制备工艺简单(简单混合)、可3D打印。附图说明图1为搅拌时间对本专利技术所述可逆转变材料性能的影响。图2实施例1所述可拉伸温度控制开关的工作原理。图3实施例4所述温度显示装置的工作原理。具体实施方式本专利技术提出的柔性可拉伸温控导体绝缘体可逆转变材料，是由液态金属和柔性材料以特定比例混合制得的。只有在此特定比例范围内，才能具有本申请所声称的性能特点。室温条件下，液态金属具有液体的流动性和金属的导电导热性，同时其相变能够产生较大的体积改变，可以作为很好的原料用于制柔性导体绝缘体转变材料。现有技术中，已经有将液态金属与柔性材料混合制得复合材料的研究；但据公开内容显示，这些复合材料大部分用于导电体、自修复导电材料、高介电常数材料等，且不具有如本申请所述的温控导体绝缘体可逆转换的特性。本申请研究人员在经过大量试验研究，意外发现当液态金属和柔性基料以特定比例混合复配后，所得材料在温度改变后显示出特殊的功能，即具有温度调控的导体绝缘体可逆转变的特点。并且利用这一特点，可将该材料制成温控开关等控制装置，通过温度改变诱发液态金属相变和体积改变，从而控制连接和断开两种状态。而当液态金属与柔性基料以其他质量比例混合，或者搅拌时间过长，固化时间过短，则都无法实现温控导体绝缘体转换特性。本专利技术所述材料实现导体绝缘体转换的原理为：低温下，硅胶(柔性基料)玻璃化后收缩，液态金属颗粒固化膨胀相互接触导电。高温下，液态金属液化收缩，硅胶恢复弹性，包裹住液态金属，从而成为绝缘状态。如此往复，可以实现导体绝缘体的重复转变。通过选择不同的液态金属和柔性基料，所得材料的导电性转变温度可以调节，可以应用于柔性温度开关，温度传感器，可拉伸半导体，阻变式存储器等等；由于可承受温度跨度大，这种材料还可以应用于极端环境，如外太空，火星，月球等温度转变较大的区域。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。实施例1本实施例提供一种柔性可拉伸材料，及其制得的用于外太空探测领域诸如火星或者月球上的可拉伸温度控制开关。所述柔性可拉伸材料由液态金属为GaIn24.5、AB胶以体积比2：3混合，并以600r/min搅拌2分钟，即得；将所得柔性可拉伸材料浇筑在控制系统的某段断开电路中，即得可拉伸温度控制开关。经检测，所得可拉伸温度控制开关可承受温度在-196℃-200℃之间。导体绝缘体转变温度为-50℃。月球等无人区上，环境非常恶劣，极端低温本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性可拉伸温控导体绝缘体可逆转变材料，包括：液态金属、柔性基料；所述液态金属与柔性基料的体积比为1：(0.15-10)。/n

【技术特征摘要】
1.一种柔性可拉伸温控导体绝缘体可逆转变材料，包括：液态金属、柔性基料；所述液态金属与柔性基料的体积比为1：(0.15-10)。


2.根据权利要求1所述的柔性可拉伸温控导体绝缘体可逆转变材料，其特征在于，所述液态金属与柔性基料的体积比为1：(0.25-4)，优选1：(1-2)，进一步优选为1:1.5。


3.根据权利要求1或2所述的柔性可拉伸温控导体绝缘体可逆转变材料，其特征在于，所述液态金属选自低熔点液态金属。


4.根据权利要求3所述的柔性可拉伸温控导体绝缘体可逆转变材料，其特征在于，所述液态金属选自镓基合金、铟基合金或铋基合金中的一种或多种组合。


5.根据权利要求1-4任一所述的柔性可拉伸温控导体绝缘体可逆转变材料，其特征在于，所述柔性基料包括硅胶和/或粘性液体。


6.根据权利要求5所述的柔性可拉伸温控导体绝缘体可逆转变材料，其特征在于，所述硅胶选自柔性硅胶，优选聚二甲基硅氧烷、AB胶、聚甲基乙烯基硅氧烷或聚甲基氢硅氧烷中的一种或多种混合；
和/或，所述粘性...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪鸿章，刘静，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11