室温可加工的高分辨率软质各向异性导电膜及其在可拉伸电子器件中的电互联应用

本文介绍了一种基于光敏叠氮交联剂的紫外光固化软质各向异性导电膜（ACF），该材料能够在室温条件下实现高分辨率电互联，解决了传统ACF技术因高温加工、界面不稳定和导电微粒分布不均而受限的难题。通过紫外照射，氟苯叠氮产生高活性氮烯中间体，与多种含C–H材料形成共价交联界面，展现出优异的机械拉伸性和电稳定性，为热敏感元件（如商用压力传感器）与可拉伸导体的集成提供了可靠、简便且通用的互联策略。

　　

1 引言

随着可拉伸电子器件在健康监测、机器人电子皮肤和人机接口等领域的应用日益广泛，实现刚性元件与柔性组件之间稳健可靠的高分辨率电互联成为该领域的关键挑战。传统各向异性导电膜（ACF）虽具备潜力，但受限于界面不稳定性、导电微粒（MP）分布随机性、材料兼容性差以及高加工温度（通常≥180°C）等问题。高温工艺易导致微粒位移和电路板热膨胀，不利于高精度互联。近年来，基于微粒组装的软ACF技术取得显著进展，尤其是干法摩擦工艺可实现单层或孤立微粒图案的快速、可扩展制备。然而，现有方法仍多依赖高温键合或特定官能团修饰，限制了其在热敏感元件中的应用。因此，开发一种室温操作、无需特定官能团且具备高分辨率的通用互联技术势在必行。

2 结果与讨论

2.1 基于叠氮紫外交联的软ACF互联概念

本研究提出了一种利用光敏叠氮交联剂的高分辨率紫外固化软ACF。该ACF由导电金微粒（10 μm直径）和含叠氮交联剂的热塑性聚合物基质（如SEBS）构成。在紫外照射下，叠氮基团分解产生高活性氮烯物种，可插入邻近脂肪族C–H键，形成共价交联网络。交联同时以两种方式进行：层内交联（基质聚合物链之间）和层间交联（ACF与基底表面之间）。分子设计包括三种化合物：四官能叠氮交联剂FP-Az4、二官能FP-Az2以及无活性对照分子FP-Flu。其中，FP-Az4凭借四面体结构和四个叠氮基团，可实现与多种含C–H材料的广泛键合。

软ACF制备采用干法摩擦工艺，在化学模板（PEG-DA图案）上组装金微粒，旋涂含FP-Az4的SEBS溶液（8 wt.%），形成约2 μm厚薄膜，使微粒部分暴露。随后将ACF薄膜转移至目标基底间，经紫外照射（254 nm，1分钟）即可实现室温交联，表面温度几乎无升高。

2.2 叠氮交联的表征

傅里叶变换红外光谱（FT-IR）显示，SEBS/FP-Az4共混膜在2130 cm^?1和1255 cm^?1处的叠氮特征峰经紫外照射后消失，并在1320 cm^?1处出现C–N–C不对称伸缩峰，证实了叠氮参与的交联反应。紫外-可见吸收光谱表明，FP-Az4在268 nm处的特征吸收峰随紫外照射时间延长逐渐减弱，1分钟后完全消失，证明其快速光活化能力。飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）深度分析显示，交联位点和氟元素在薄膜厚度方向均匀分布。原子力显微镜（AFM）进一步证实，交联膜表面粗糙度（RMS≈0.6–0.7 nm）与纯SEBS膜相当，表明FP-Az4具有良好的相容性。

2.3 交联软ACF界面的力学性能

通过调节SEBS溶液浓度控制金微粒暴露程度，8 wt.%条件可实现微粒部分突出且无聚合物覆盖。交联ACF在双轴拉伸（ε_xy=170%）下仍保持微粒位置稳定。为增强与聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底的粘附，采用（3-氨丙基）三乙氧基硅烷（APTES）自组装膜（SAM）处理，提供丰富脂肪族C–H键用于交联。

搭接剪切测试表明，交联ACF界面可承受超过180%的应变，直至PDMS本体撕裂，而未交联ACF在60%应变下即发生界面剥离。交联ACF的断裂应力超过0.64 MPa，是未交联样品（0.22 MPa）的三倍以上。90°剥离测试测得交联界面的粘附能达254 J·m^?2，远高于未交联体系（55 J·m^?2）。FP-Az4浓度优化显示10 wt.%即可实现有效交联，低于此浓度则界面强度不足。FP-Az2也可实现类似强粘附，而FP-Flu无此效果。

该交联策略适用于多种热塑性弹性体，如SBS、SIS和TPU，且与多种SAM处理（如MPTMS、VTMS、TMSPMA、GOPS）兼容，展现出广泛适用性。此外，软ACF成功用于柔性-可拉伸界面（如PET、PI薄膜）以及刚性ITO电极与可拉伸Ag-PDMS复合电极的互联。

2.4 软ACF的电传导性能

电性能测试采用Ag-PDMS或液态金属（LM）-PDMS复合电极与软ACF互联。欧姆性电流-电压（I-V）曲线显示，垂直对齐电极间（如A1-A2）呈现导电特性，而错位电极间（如A1-B2）则绝缘，证实各向异性导电。四探针法测得交联ACF的接触电阻低至55 mΩ·2.25 mm^?2，显著优于商用ACF（0.3 Ω·6 mm^?2）。不同弹性体制备的ACF均表现出相同低电阻。

在单轴拉伸下，交联ACF互联的LM-PDMS电极在180%应变内保持稳定导电（电阻变化<5%），而未交联样品在50%应变即失效。交联ACF在6000次50%应变循环拉伸后仍保持稳定电性能，展现出优异耐久性。

2.5 微LED与可拉伸电极的集成

将微LED（1.0×0.6 mm²）通过软ACF集成于Ag-PDMS电极上，经APTES处理增强界面结合。交叉截面SEM显示刚性LED与软基底形成共形接触。集成LED在120%拉伸、50%反复拉伸及扭曲变形下均正常工作，无脱粘或失真。

2.6 商用压力传感器在软基底上的集成

以热敏感商用压力传感器（工作温度<60°C）为例，展示室温交联优势。传感器通过软ACF与可拉伸Ag-PDMS电极互联，紫外交联后输出稳定压力响应信号，而80°C热压处理则导致传感器损坏失效。在20%拉伸状态下，传感器响应与未拉伸时一致，证明界面机械与电稳定性。进一步地，将五个传感器集成于手套指尖，通过多通道系统实现单点按压和抓握动作的精确感知，其中传感器表面涂覆保护性SEBS/FP-Az4薄膜以增强耐磨防滑性。

3 结论

本研究开发的紫外固化软ACF利用叠氮交联剂实现了室温高分辨率电互联，避免了高温工艺对热敏感元件的损伤。通过光激发氮烯插入C–H键形成共价交联界面，显著提升机械拉伸性和电稳定性。该ACF适用于多种弹性体和基底处理，展现出优异通用性。在微LED集成和压力传感器应用中表现出可靠性能，为先进可拉伸电子器件提供了稳健、简便的互联解决方案。

4 实验部分

材料包括多种硅烷偶联剂、聚合物基质（SEBS、SBS、SIS、TPU）、金微粒和电极材料。软ACF制备采用光图案化PEG-DA模板干法摩擦组装微粒，旋涂聚合物溶液后剥离转移。电极制备基于水溶性牺牲层和丝网印刷技术。界面交联通过SAM处理和紫外照射实现。表征手段涵盖FT-IR、UV-vis、TOF-SIMS、AFM、SEM、力学测试和电学测量等，所有统计结果基于六次重复实验，显著性水平设为<0.05。