相变转印原理解析

在电路制备过程中，“PVC-液态金属-PDMS”三层结构的转印分离是关键［23］。如图7.17a所示，如果在常温下直接对这一结构进行分离，处于液相的金属由于自身流动性和对PVC膜的润湿性，并不能以一个整体转印到PDMS基底上，而是会在分离的过程中发生粘连、溢出、断线，破坏电路结构的完整性。而在低温下，液态金属在转为固相后会形成整体，并且其弧形上表面被完全包裹在PDMS基底内，PDMS、液态金属也更易于与PVC膜相分离，因此很容易就能实现液态金属电路的完全转印。图7.17b说明冷分离是转印过程中的关键步骤。温度降低时，PDMS膜和PVC膜会发生收缩，然而由于收缩系数不同，在两者交界面上会产生热应力。当热应力大于两层膜连接的黏力时，就会发生自动分离现象。进一步，还可探索液态金属在转印过程中完全跟随PDMS膜的原因。

图7.17　不同条件下分离“PVC-液态金属-PDMS”三层结构的效果［23］

a.金属在室温处于液态时的分离结果，两侧基底都有粘连；b.金属在低温处于固态时的分离结果，完整转印至PDMS基底。

在体视显微镜下分别观察液态金属线与PVC基底和PDMS基底的接触面，如图7.18所示，液态金属与PVC的接触面较为平滑，而与PDMS接触的表面呈凸起的弧形，接触面积更大，表面也相对更加粗糙。进一步在金属固化时将其从分离开的PDMS中取出，通过原子力显微镜观察和测量PVC与PDMS接触面的表面粗糙度。图7.18b和图7.18d所示为两种接触面的典型结果，扫描区域为一个边长为2 μm的正方形，其中PVC与金属接触面的粗糙度为4.09 nm，而PDMS接触面的粗糙度为62 nm，二者相差一个数量级。

图7.18　体视显微镜和原子力显微镜下的液态金属上下表面形貌［23］

a.体视显微镜观察的液态金属与PVC接触面；b.原子力显微镜观察的PVC与液态金属接触面，区域为边长2μm的正方形，粗糙度为4.09 nm；c.体视显微镜观察的液态金属与PDMS接触面；d.原子力显微镜观察的PDMS与液态金属接触面，区域为边长2μm的正方形，粗糙度为62nm。

接下来，利用ANSYS对降温过程中PDMS和液态金属进行热应力仿真，低温下液态金属转换为固体，体积发生膨胀，而PDMS膜在低温下体积发生收缩。仿真中所使用材料参数如表7.2所示，根据图7.13c将问题简化为如图7.19a所示模型，根据该问题的对称性，选择图7.19c所示的矩形截面作为几何模型，采用直接耦合法求解热应力，热力耦合单元选择PLANE13，设PDMS与液态金属接触面的摩擦系数为0.1。

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图7.19　液态金属与PDMS在温度降低过程中的热应力仿真模型示意［23］

a.三维模型；b.二维平面；c.模型矩形截面及尺寸。

表7.2　材料性能参数

*注：液态金属受冷变为固体，体积膨胀。

矩形截面仿真完成后，对模型结果进行180°对称扩展，热应力结果如图7.20所示。由于PDMS向内收缩，交界面有向内收缩的趋势，而液体金属向外膨胀，交界面有向外扩张的趋势，但是由于PDMS收缩系数较大，因此，最终交界面向内略收缩，因此，径向热应力最大点比原交接点小，如图7.20c所示。

图7.20　液态金属与PDMS在温度降低过程中的热应力分布（单位为MPa）［23］

a.三维等效应力场分布结果；b.二维平面应力场分布等值线图；c.径向热应力曲线。

热应力的存在会导致PDMS和液态金属发生形变，如图7.21所示，PDMS在热应力的作用下向中心收缩，使得PDMS紧紧包裹液态金属，同时热应力会产生向上的拉力，使得PDMS包裹液态金属向上移动。考虑图7.18所示的表面形貌和粗糙度分析，可知由于PDMS和液态金属交界面有一定的粗糙度，当有热应力产生时，两者结合更加紧密，同时热应力也会造成其发生机械形变，从而导致分离。