基于液态金属的弹性加热器及其失效机制研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:zpe3werv
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目前,石墨烯、碳纳米管等碳系材料被认为是发展柔性加热器最具潜力的导电材料之一。但碳系导电材料的拉伸性能有限,比较难制备弹性加热器,限制了其在人体手腕、关节等易受寒且拉伸量大的部位进一步的应用。因此,寻找拉伸性能好的本征可拉伸导电材料成为了弹性加热器研究的热点问题。由于液态金属(Ga In Sn)室温下为液态,可以任意变形,而且通过微氧化处理,结合丝网印刷能够实现其图案化,可作为弹性加热器的核心材料。但同时微氧化过程会混入一定量的空气,这对液态金属弹性加热器失效现象和稳定性的影响尚不明确。针对上述问题,本文通过定性分析和定量表征辨明液态金属弹性加热器的失效机制,并明确提出优化方案。开展的主要研究工作如下:(1)使用丝网印刷方式,在优化衬底和制备工艺的基础之上,制成基于液态金属的弹性加热器,进行了失效机理的研究和探讨,并提出了基于液态金属的弹性加热器的失效机制:液态金属加热器通大电流情况下热量累积,局部温度高于140-150℃时,液态金属微观形貌和结构局部发生改变,内在气体逸出,从连续的导电连接体变成不均匀网状的连接体,力学性能降低;在拉伸状态,尤其来回拉伸时,容易发生断裂,导致液态金属弹性加热器的失效。(2)液态金属弹性加热器工作条件和制备过程的优化及性能测试。液态金属加热器电流控制在0.6-0.7 A时,升温速率可以达到0.41-0.43℃/s,发热区域的平均温度可以达到40-45℃,高于人体的体温,有很好的加热效果;且液态金属导电线路在布基柔性衬底上封装后,发热更均匀。退火处理过程使液态金属加热器的升温速率和稳定性整体高于未退火的加热器,通电电流达到0.7 A时,升温速率可达1.96℃/s,且温度能在恒定电流下稳定保持。(3)液态金属弹性加热器循环和疲劳特性的研究。发现液态金属弹性加热器在0.3 A电流下,升温速率为0.36℃/s,在此条件下进行疲劳测试,从0%拉伸到20%,平均温度稳定在40℃,可以做1000次循环,拉伸稳定性好。表明液态金属弹性加热器在实际应用中具有重要价值。
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