织物表面电路的电喷印成形原理及应用

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电流体喷墨印刷(电喷印)技术在高性能柔性电子领域展现出广阔的应用前景,如智能包装、医疗保健、消防、军事等。相较于喷墨打印和丝网印刷,电喷印是一种无接触、无压力、无印版的印刷技术,具有无版数码印刷的特征,能够在柔性基材表面实现数字化图案的直写。在各种柔性基材中,纺织品具有出色的柔性、透气性和耐用性,完美地契合可穿戴柔性电子设备的发展需求,近年来受到穿戴印刷电子领域的关注。目前,织物基电喷印柔性电路的发展处于迅速上升阶段。织物作为柔性基底材料时,其本身固有的多孔结构和质地特性会极大影响电喷印电路的成形质量,然而目前关于电喷印柔性电路的研究多聚焦于导电油墨和平整膜表面的打印工艺参数的影响,对具有粗糙多孔纹理特征的织物基底的关注极少,有必要探究织物表面电路的电喷印成形原理及应用,促进织物表面电喷印电子的发展。基于此,本文应用电喷印技术,在不同密度织物的表面进行柔性电路电线的打印及调控,分析电线形貌和性能的差异,讨论它们与织物基底的关系,探究织物表面电线的电喷印成形原理及应用。具体的研究内容和结论如下:(1)结构差异化织物表面电线的电喷印成形可行性评价首先,探究了导电油墨在三种密度织物表面的铺展行为,而后采用电喷印技术在相同的工艺条件下以三种密度织物为基底进行单次打印电线,使用光学显微镜观察电线的形貌,测量宽度,讨论油墨在不同结构织物表面的铺展及其对电线形貌差异的影响。结果显示,随着织物密度的减小,粗糙度的增加,油墨在织物基底表面的润湿性增加,即油墨扩散范围越大且扩散速度更快,油墨的这种铺展行为使电喷印电线线宽随着织物基底的密度减小而增大,其次,单次打印电线的形貌受油墨落在织物表面的初始位置影响,位于单根纱线上的电线形态优于两根纱线之间的电线形态。此外,相比喷墨打印和丝网印刷,电喷印技术打印电线的精确度更高,为进一步探讨织物基底对打印精度的影响和满足柔性电路对一定宽度电线的需求,需要进一步实现一定宽度电线的打印。(2)结构差异化织物表面电线的电喷印宽度调控及成形评价分析上述油墨在织物表面的铺展和墨线扩散规律,在三种密度不同的常用服用织物承印基底上实现一定宽度电线的电喷印成形,提出单线打印拼接成形方案,但需要确定线间间距调控原理。使用光学显微镜和扫描电子显微镜观测电线的形貌,包括电线的线宽、边缘均匀度及电线的厚度,讨论织物结构的差异对其成形性的影响。结果显示,为了获得表面形貌平整均匀的一定宽度电线,固定线宽电线线间距需要同时满足不改变单根电线在拼接时的宽度和不产生裂隙两个条件,即存在线间距的最大和最小两个边界值,并随着织物表面接触角越大,粗糙度越小,边界值的范围越小。其次,固定线宽电线的打印精度可以通过导电油墨在织物表面的接触角控制。具体而言,当油墨的接触角在0<<90°范围内时,油墨在织物表面的接触角越小,其电喷印固定线宽电线的打印精度和厚度均匀性越差。同时,接触角的优化可以通过改变织物基底的粗糙度和平均孔隙大小实现。此外,一定宽度电线的成形性优于单次打印的电线,但由于织物中经纬纱的交织,电线的边缘存在与交织结构同步的不均匀波动。(3)织物表面电喷印电线的耐机械作用性能评价以在三种密度织物表面制备的固定线宽电线为实验样品,参照相关标准对样品进行了弯曲、耐磨试验和粘结力测试,以机械作用前后电线的线电阻为评价指标,分析比较不同织物表面的电喷印电线耐机械作用性能差异,说明电喷印电线的机械作用破坏原理。结果显示,织物基电喷印电线具有良好的耐弯曲性能,弯曲拉伸过程中导电颗粒(片状纳米银)之间出现的裂痕是导致电阻变大的原因,而且电线的厚度越大,导电层受力越小,越难产生裂痕。同时,电线也具有一定的耐磨性,电线导电性能的损失在于摩擦时其表面银层发生脱落,导电层的银含量下降,精度高的电线由于更小摩擦面积和导电颗粒之间更强的结合力,其耐磨性更好,此外,制备的电线不具备足够的粘附牢度,其破坏原理在于在没有涂层保护的情况下,油墨与织物基底之间的结合力组成只有物理粘合作用,在织物与印刷导体之间没有形成足够强的机械自锁作用,二者之间的粘附性能需要进一步优化。(4)织物表面电喷印电线的电学性能评价及应用初探以在三种密度织物表面制备的固定线宽电线为实验样品,参照相关标准测量样品的电阻及其均匀性,讨论基底特征和电线成形质量对电学性能的影响。随后,选用电线性能最优的织物为基底,采用电喷印技术和倒封装工艺在其表面制备RFID标签,并测试了天线阻抗和标签读取性能,以验证电喷印技术在电子纺织品制备中的应用可行性。结果显示,织物表面电喷印电线具有良好的电学性能,不同织物表面电线电学性能的差异取决于成形时的差异,打印精度的差异影响导电均匀性,电线厚度的差异影响方阻和阻抗。其次,制备的电喷印RFID标签符合生产应用要求,读取范围达到8~12 m,其可行性得到验证。综上所述,本文通过对不同织物表面电喷印电线的成形和性能进行对比分析,并对相关成形原理进行了说明,为其它织物表面电喷印柔性电路的制备提供了思路和指导。其次,初步验证了电喷印技术在织物基RFID标签天线中的应用可行性,为织物基RFID标签天线的制备提供了新的选择。
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