一种含液态金属的涂层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及功能材料制备技术领域，具体涉及一种含液态金属的涂层的制备方法及其应用。本发明专利技术提供一种含液态金属的涂层，所述涂层是含液态金属的复合粉末涂覆在基底表面，形成的均匀的含液态金属的涂层；其中，所述含液态金属的复合粉末为液态金属和固体填料形成的混合物，液态金属和固体填料的重量比为：液态金属30～90重量份，固体填料10～70重量份。本发明专利技术针对目前现有液态金属涂层厚度过厚、表面不耐刮擦等技术问题，提供了一种含液态金属的涂层，所得涂层厚度在纳米到微米尺度的可调节，同时涂层在基底表面具有优异的机械稳定性和耐刮擦性能；并且本发明专利技术制备涂层的方法操作简单，可以实现在不同材质和形态的基底上进行加工。工。工。

【技术实现步骤摘要】
一种含液态金属的涂层及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及功能材料制备
，具体涉及一种含液态金属的涂层的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]液态金属是一种具有金属导电性以及液体延展特性的特种金属，可应用于药物输送、微流体、传感、催化、柔性电子器件、电池、电磁屏蔽以及光学领域。然而，液态金属的高表面张力(＞600N/m)阻碍了其在大多数物质表面的润湿和均一微纳尺度的涂覆加工；并且其液态的特性使得器件在封装过程中易发生泄露损失。
[0003]目前，已经报道的液态金属加工策略主要包括乳液分散法、喷涂印刷、蒙版印刷法、3D打印、柔性版印刷、直写打印，同轴打印，冷冻铸造和激光辅助印刷等。另外液态金属的复合材料(无机材料和液态金属复合形成的改性液态金属)已经被报道用来进行液态金属的成型加工。上述加工方法主要面向柔性电子材料急需的柔性电路制备，尽管相关加工技术已经取得了很大的成功，但是随着液态金属应用范围的推广，液态金属的加工仍然需要发展新的技术以满足不同场景的需要。比如，目前仍然缺乏简单有效的、且具有较好普适性的液态金属的表面亚微米及纳米级厚度的涂覆技术；同时，现有的液态金属涂层除了厚度需要进一步缩小外，涂层的耐刮性能也急需提升。已有报道通过刮涂、旋涂、粘附转印、浸渍技术制备微纳米液态金属薄膜，以及通过液态金属的Bi合金化以及Ag的弥散分布来提高液态金属的稳定性，但这些工艺操作复杂，适用场景有限(一维、三维材料难以制备)、规模化能力以及涂层机械稳定性仍有欠缺。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对目前现有液态金属涂层厚度过厚、表面不耐刮擦等技术问题，提供了一种含液态金属的涂层，所得涂层厚度在纳米到微米尺度的可调节，同时涂层在基底表面具有优异的机械稳定性和耐刮擦性能；并且本专利技术制备涂层的方法操作简单，可以实现在不同材质和形态的基底上进行加工；即解决了现有制备方法中存在的操作复杂、适用场景有限的技术问题；为液态金属的新型微纳加工提供了新思路和新策略。
[0005]本专利技术的技术方案：
[0006]本专利技术要解决的第一个技术问题是提供一种含液态金属的涂层，所述涂层是将含液态金属的复合粉末涂覆在基底表面，形成的均匀的含液态金属的涂层；其中，所述含液态金属的复合粉末为液态金属和固体填料形成的混合物，液态金属和固体填料的重量比为：液态金属30～90重量份，固体填料10～70重量份。
[0007]优选的，液态金属和固体填料的重量比为：液态金属30～70重量份，固体填料30～70重量份。
[0008]进一步，所述含液态金属的涂层的厚度为1nm～5μm。
[0009]进一步，所述含液态金属的涂层在0.5kPa压力下在1000目砂纸摩擦移动50cm后没
有明显划痕。
[0010]进一步，所述含液态金属复合粉末采用下述方法制得：将液态金属和固体填料通过研钵研磨、球磨机球磨、机械搅拌混合、基于溶剂的机械或者超声乳化混合法制得。
[0011]进一步，所述含液态金属的复合粉末的粒径为1～100μm。
[0012]进一步，所述含液态金属的涂层采用下述方法制得：将含液态金属的复合粉末通过擦涂的加工方法在基底表面形成均匀的含液态金属的涂层，所述擦涂的加工方法为：将含液态金属的复合粉末与基底表面接触，先在压力P1和摩擦速率V1下通过反复擦涂使得粉末中的液态金属能够在基底表面均匀地铺展即可；然后在压力P2和摩擦速率V2下通过反复擦涂使得基底表面表现为均匀的亮色并且没有多余的粉末；即形成均匀的含液态金属的涂层。本专利技术在擦涂的初期阶段，施加一定的压力和摩擦作用下使得含液态金属的复合粉末中的大量液态金属以及少量的固体填料率先在基底表面铺展；在擦涂的后期阶段，在一定的压力和摩擦作用下固体填料擦入液态金属涂层并在其上表面形成均匀的固体填料薄层，从而使得最终所得含液态金属的涂层表面均一、机械稳定性得到显著提高。
[0013]进一步，所述P1＝1N～300N(10Kpa
‑
3000Kpa)，P2＝0.1N～35N(1Kpa
‑
350Kpa)，V1＝1～10cm/s，V2＝1～30cm/s。
[0014]优选的，所述P1＝3N～80N(300Kpa
‑
800Kpa)，P2＝0.5N～30N(5Kpa
‑
300Kpa)。
[0015]进一步，所述基底为：一维纤维、二维薄膜或薄片、三维结构的多孔材料、或：规则或不规则块体。可见，本专利技术采用擦涂方法能够实现了在一维纤维、二维薄膜和薄片、三维多孔及规则或不规则块体等任意材料表面的导电涂层加工，从而从加工方式上拓宽了液态金属涂层的应用范围，从而能够制备出具有不同功能用途的导电复合材料。
[0016]更进一步，所述一维纤维包括：高分子纤维、玻璃纤维或玄武纤维；所述二维薄膜包括：高分子薄膜、电池隔膜或金属箔纸；所述三维结构材料包括：泡棉、陶瓷制品或管道内壁等。
[0017]进一步，所述含液态金属的复合粉末中，所述液态金属包括常见的室温各种组成的复合型液态金属以及低温金属熔体(熔点低于400℃)。
[0018]更进一步，所述液态金属包括：稼金属、稼铟合金、稼铟锡合金、汞金属、钫金属、铯金属、锂金属、钠金属、钾金属、铷金属、铯金属、锌金属、镉金属或铋金属中的至少一种。
[0019]进一步，所述固体填料包括：碳基固体填料、金属氧化物、固体金属填料、固体陶瓷填料或电极活性颗粒填料。
[0020]更进一步，所述碳基固体填料包括：天然石墨、人造石墨、鳞片石墨、块状石墨、隐晶质石墨、石墨烯粉末、碳纳米管粉末或碳微纳球粉末中的至少一种；
[0021]所述的金属氧化物包括：氧化铟、氧化镓、氧化锡、四氧化三铁、三氧化二铁、三氧化二锰、三氧化二铬、三氧化二铝、二氧化钛、二氧化硅、氧化镍、氧化钙、氧化钠、氧化镁、氧化钡、氧化铁、氧化铜或氧化钼中的至少一种；
[0022]所述固体金属填料包括：银粉、金粉、铜粉、铝粉、锌粉、镁粉、锡粉、铁粉、钨粉、钼粉、镍粉、钴粉、铅粉、钛粉或钽粉中的至少一种；
[0023]所述固体陶瓷填料包括：碳化硼、碳化铬、碳化钼、碳化硅、碳化钛、碳化锆、碳化钒、氮化铝、氮化硼、氮化硅、氮化钛、二硼化铬、二硼化钛、二硼化锆、ZIF材料、MoS2、MOF(如IRMOF、PCN、MIL、UIO系列材料)、MXene(Ti2CT
x
,TiNbCT
x
,Ti3CN
x
T
x
,Ta4C3T
x
,Nb2CT
x
,V2CT
x
,
Nb4C3T
x
,Mo2CT
x
)、GO(单层、双层、多层石墨烯)、rGO、Li
6.5
La3Zr
1.5
Ta
0.5
O
12
、Li7La3Zr2O
12
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含液态金属的涂层，其特征在于，所述涂层是含液态金属的复合粉末涂覆在基底表面，形成的均匀的含液态金属的涂层；其中，所述含液态金属的复合粉末为液态金属和固体填料形成的混合物，液态金属和固体填料的重量比为：液态金属30～90重量份，固体填料10～70重量份。2.根据权利要求1所述的一种含液态金属的涂层，其特征在于，液态金属和固体填料的重量比为：液态金属30～70重量份，固体填料30～70重量份；进一步，所述含液态金属的涂层的厚度为1nm～5μm。进一步，所述含液态金属的涂层在0.5kPa压力下在1000目砂纸摩擦移动50cm后没有明显划痕。3.根据权利要求1或2所述的一种含液态金属的涂层，其特征在于，所述含液态金属复合粉末采用下述方法制得：将液态金属和固体填料通过研钵研磨、球磨机球磨、机械搅拌混合、基于溶剂的机械或者超声乳化混合法制得；进一步，所述含液态金属的复合粉末的粒径为1～100μm。4.根据权利要求1～3任一项所述的一种含液态金属的涂层，其特征在于，所述含液态金属的涂层采用下述方法制得：将含液态金属的复合粉末通过擦涂的加工方法在基底表面形成均匀的含液态金属的涂层，所述擦涂的加工方法为：将含液态金属的复合粉末与基底表面接触，先在压力P1和摩擦速率V1下通过反复擦涂使得粉末中的液态金属能够在基底表面均匀地铺展；然后在压力P2和摩擦速率V2下通过反复擦涂使得基底表面表现为均匀的亮色并且没有多余的粉末；即形成均匀的含液态金属的涂层；进一步，所述P1＝1N～300N，P2＝0.1N～35N，V1＝1～10cm/s，V2＝1～30cm/s；优选的，所述P1＝3N～80N，P2＝0.5N～30N。5.根据权利要求1～4任一项所述的一种含液态金属的涂层，其特征在于，所述基底为：一维纤维、二维薄膜或薄片、三维结构的多孔材料、或：规则或不规则块体；进一步，所述一维纤维包括：高分子纤维、玻璃纤维或玄武纤维；所述二维薄膜包括：高分子薄膜、电池隔膜或金属箔纸；所述三维结构材料包括：泡棉、陶瓷制品或管道内壁；进一步，所述含液态金属的复合粉末中，所述液态金属包括室温各种组成的复合型液态金属以及熔点低于400℃的低温金属熔体；更进一步，所述液态金属包括：稼金属、稼铟合金、稼铟锡合金、汞金属、钫金属、铯金属、锂金属、钠金属、钾金属、铷金属、铯金属、锌金属、镉金属或铋金属中的至少一种；进一步，所述固体填料包括：碳基固体填料、金属氧化物、固体金属填料、固体陶瓷填料或电极活性颗粒填料；更进一步，所述碳基固体填料包括：天然石墨、人造石墨、鳞片石墨、块状石墨、隐晶质石墨、石墨烯粉末、碳纳米管粉末或碳微纳球粉末中的至少一种；所述的金属氧化物包括：氧化铟、氧化镓、氧化锡、四氧化三铁、三氧化二铁、三氧化二锰、三氧化二铬、三氧化二铝、二氧化钛、二氧化硅、氧化镍、氧化钙、氧化钠、氧化镁、氧化钡、氧化铁、氧化铜或氧化钼中的至少一种；所述固体金属填料包括：银粉、金粉、铜粉、铝粉、锌粉、镁粉、锡粉、铁粉、钨粉、钼粉、镍粉、钴粉、铅粉、钛粉或钽粉中的至少一种；所述固体陶瓷填料包括：碳化硼、碳化铬、碳化钼、碳化硅、碳化钛、碳化锆、碳化钒、氮
化铝、氮化硼、氮化硅、氮化钛、二硼化铬、二硼化钛、二硼化锆、ZIF材料、MoS2、MOF材料、MXene、GO、rGO、Li
6.5
La3Zr
1.5
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宇，姬中峰，傅雪薇，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：