印刷式液态金属柔性电子的可拉伸变阻效应

可拉伸变阻器是新兴的柔性电子技术应用中的核心单元，在电子服装、人工肌肉、智能电子等方面正显示重要价值，但以往方法大多存在制作困难、成本高等问题。笔者实验室基于新近发展的液态金属印刷电子学方法，将液态金属墨水直接印制于高弹性材料表面，由此构建出借助弹性材料的伸缩性来改变电阻大小的可拉伸变阻器。

近年来，随着人们对柔性电子研究热情的日益高涨，弹性材料被越来越多地用于电子领域。此类材料自身具有高度的柔性和可拉伸性，学术界藉此发展出可拉伸电子的概念［12］。兼具导电性和可拉伸性的材料或器件在柔性显示器、可拉伸射频天线、人造肌肉和可穿戴传感器等领域具有巨大应用价值。新近报道的一些材料有网状塑料膜、石墨膜和基于碳纳米管的复合材料等。但这些材料也存在一定局限，如导电率低、拉伸性弱等。为此，研究人员提出将液态金属封装进柔性面料、聚合物薄层或槽道内制成相应器件的思想，可制成电子服装及拉伸电子设备的连接件［13，14］。在各种基底材料中，PDMS作为微纳领域用于制作微流道的一种常用弹性材料，最大可拉伸至225%，已被用作拉伸电子领域中的绝缘基底、介电层及封装结构［15，16］，但前期方法需要借助光刻和真空金属蒸镀等手段实现，相对昂贵、复杂。总的说来，发展简捷、低成本的电子制作方法是可拉伸导体技术领域的重要方向。

借助液态金属印刷电子学的思想［17］，可将特定金属墨水直接印制于与其匹配的基底表面形成导电体，从而大大简化了电子制造的难度［18］。作为对照实验组，首先以常规封装方法测试了液态金属可拉伸变阻器的性能。硅胶管规格为0.5 mm×100 mm（内径×长度），泊松比为0.5。将GaIn24.5合金灌装入管内，并对管两端予以密封处理。

我们将硅胶管变阻器从100%拉伸至140%（长度定义为管内液态金属的长度），每两个测点间隔为10%的拉伸量，每组实验重复三次，拉伸过程中液态金属电阻变化率和拉伸前后导体长度变化率的关系如图9.10所示［18］。在拉伸过程中，液态金属体积保持一定，虽然液态金属截面积减小，但其长度仍直接正比于弹性体长度。从图中可见，将硅胶管拉伸至其原长的140%时，液态金属的电阻值可增至原来的200%，由此数据，可近似看出电阻变化率与长度变化率之间存在一定的二次曲线关系。

图9.10　硅胶管拉伸过程中液态金属变阻器的电阻变化［18］

以上封装方法制得的液态金属拉伸变阻器获得了较好的实验结果，以下进一步探索利用直写方法制作的液态金属拉伸变阻器的工作性能。

实验装置仍如前，只是将测试对象换为印刷有液态金属墨水的橡胶弹性线，其泊松比为0.2。选取该弹性材料作为基底是因其具有高弹性，可拉伸至原长的600%，从而使制得的变阻器具有较大的可调节电阻范围。实验方法仍采用标准的四探针法，测得结果如图9.11所示［18］。从图中可见，将弹性线拉伸至原长的140%以上时，液态金属的电阻值增至原来的180%。电阻变化率和长度变化率之间近似呈二次曲线关系。但明显发现各点误差均大于封装测试的情况，而且各点数值较封装数值均偏小。推测这一现象产生的原因主要是液态金属墨水未封装，在拉伸过程中，随着液态金属膜层变薄，更多液态金属表面暴露在空气中，从而越来越多的液态金属受到氧化，使得其电阻率和体积出现变化。

为进一步得到液态金属直写式拉伸变阻器的可靠性，将橡胶线从100 mm拉伸至200 mm（拉伸200%）再释放，重复数十次，取其中10次操作得到的电阻性能，如图9.12所示［18］。可以看出，10次拉伸释放过程中，电阻的最小值和最大值均在0.22Ω和0.58 Ω附近，表现出较好的稳定性。不过，实验也发现，在数十次拉伸释放的过程中，印刷变阻器的阻值呈现一定程度的上浮趋势，这一现象在拉伸电子中普遍存在，其原因主要是由于残余应力的存在，弹性体无法恢复至原长，文献［16］指出，由银纳米线和PDMS构成的弹性体的残余应力约为50%。

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图9.11　弹性线拉伸过程中液态金属变阻器的电阻变化情况［18］

图9.12　液态金属直写式拉伸变阻器的10次拉伸-释放过程电阻变化特性［18］

为评估液态金属直写式拉伸变阻器的性能，我们构建了一个LED电路，旨在通过拉伸变阻器来调节LED灯的亮度［18］。LED灯工作电压为2V，采用一节4V的电池对电路供电。测试中将长为10 mm的液态金属直写式拉伸变阻器接入电路中。用摄影机拍摄变阻器拉伸释放过程中LED灯的亮度变化，分别对释放时刻和拉伸至200%的时刻截图，如图9.13所示。从中可以看出，对变阻器拉伸后，LED亮度发生明显变化。测量变阻器拉伸前后LED光强最强处照射距离，即图中黄色光部分，可知变阻器拉伸前该距离为36 mm，而拉伸后该距离为27 mm，可见制得的拉伸变阻器可实现调节电路电阻的作用。

图9.13　拉伸变阻器工作情况演示［18］

a.控制LED电路；b.充当拉伸开关情况。

在实验中，我们还发现一个有趣的导电薄膜自修复现象［18］，即当液态金属墨水薄膜厚度较薄时，会出现拉伸时LED灯熄灭，而释放时LED灯重新亮起，并一直反复的现象，如图9.13b所示。推测这种现象的原因是弹性线处于自然状态时，液态金属墨水层虽相互连通，但由于薄膜较薄，一旦拉伸，薄膜变得更薄，导致部分位置电阻趋于无穷大，即出现断路；再释放时，断路位置又重新连通，表现出自修复的特性。这一现象可用于制作液态金属拉伸开关。很明显，存在一个临界膜厚δ0，当液态金属墨水薄膜的膜厚δ＞δ0时，会形成液态金属拉伸变阻器；而当δ＜δ0时，成为拉伸开关。以上研究均说明可拉伸变阻器的实用价值。

笔者实验室使用镓基液态金属做成的柔性导线串联单晶硅太阳能电池板，制备出可拉伸折叠的太阳能电池，既具有单晶硅太阳能电池的高转化效率，又体现出良好的可折叠可携带性优势，由于具备电学可拉伸性，此系统易于布置到各类复杂基底表面实现光伏发电。