ES2900539T3 - Alambre liquido - Google Patents
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- Manufacturing Of Printed Circuit Boards (AREA)
- Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
Abstract
Una composición de gel conductora de adelgazamiento por cizallamiento, que comprende: una mezcla a granel de aleación eutéctica de galio y óxido de galio, en la que las láminas de óxido de galio se distribuyen como microestructuras entrelazadas dentro de la mayor parte de la aleación de galio, y en la que la mezcla a granel de aleación de galio eutéctico y óxido de galio tiene un porcentaje en peso, % en peso, de entre 59,9 % y 99,9 % de aleación de galio eutéctico.
Description
DESCRIPCIÓN
Alambre liquido
Campo técnico
Las realizaciones en el presente documento se relacionan con alambre líquido, y más específicamente con alambre líquido compuesto de una aleación de galio indio con microestructuras integradas.
Antecedentes
Existe un interés creciente en incorporar la electrónica en los objetos cotidianos, incluyendo la ropa y los objetos textiles que se espera que sean flexibles, que se pueden estirar y blandos. La electrónica blanda podría interactuar sin problemas con el cuerpo humano, abriendo muchas aplicaciones nuevas para dispositivos portátiles, dispositivos médicos y la perspectiva de robótica conformada o 'máquinas blandas' que podrían interactuar de manera más segura con humanos o artículos delicados (véase, por ejemplo, Dickey, interfaces ACS Appl Mater. 12 de noviembre de 2014; 6 (21): 18369-18379).
Se están considerando muchos métodos de fabricación no tradicionales para fabricar estos dispositivos electrónicos blandos, en particular la impresión 3D. Sin embargo, un obstáculo importante es la falta de un conductor extensible de alta conductividad y fácil procesamiento.
Se han realizado muchos intentos de conductores extensibles. Uno de los más exitosos han sido los canales de microfluidos llenos de metal líquido a temperatura ambiente. Los dispositivos funcionales se crean grabando canales micrométricos en polidimetilsiloxano (PDMS), sellándolos y luego inyectando aleación de metales en los canales para crear trayectorias conductoras. Estas aleaciones pueden tener un punto de fusión tan bajo como -19 °C y, por lo tanto, permanecer fluidas bajo condiciones normales. Debido a que los conductores de metal son fluidos, pueden deformarse hasta un punto limitado únicamente por el material que crea los canales que los contienen y recuperarse por completo. Además, su cambio de resistencia es una función puramente mecánica de la longitud y la sección transversal del alambre, por lo que es lineal. Esto ofrece una gran ventaja al permitir que las trayectorias conductoras también actúen como sensores. Por ejemplo, el documento US2015270089A1 está dirigido a la fabricación de componentes electrónicos activos que comprenden un ánodo que puede comprender una aleación eutéctica de galio, tal como una aleación de galio e indio. Sin embargo, la fabricación de dispositivos con estos canales microfluídicos es muy desafiante. El PDMS es el sustrato preferido, pero crear un sello adecuado alrededor de los canales es costoso, ya que requiere la exposición de la capa que contiene el canal a plasma de oxígeno para adherir una capa superior para encerrar el canal. Una vez construidos, los canales deben llenarse mediante un sistema de dos jeringas, donde una jeringa inyecta la aleación líquida y otra evacua el aire ya presente. Las ratas de fallas durante la construcción son muy altas. Como anécdota, se ha informado que solo uno de cada veinte intentos de fabricación tiene éxito. Por tanto, existe la necesidad de otros metales "líquidos".
Breve descripción de los dibujos
Las realizaciones se entenderán fácilmente mediante la siguiente descripción detallada junto con los dibujos adjuntos y las reivindicaciones adjuntas. Las realizaciones se ilustran a modo de ejemplo y no a modo de limitación en las figuras de los dibujos adjuntos.
Las FIGS. 1A-1E son una imagen digital de imágenes de microscopio electrónico de barrido (SEM) que muestran diversas formulaciones que contienen galio, de acuerdo con diversas realizaciones.
Las FIGS. 2A-2C son imágenes digitales de pruebas de compresión fallidas (A, B) y satisfactorias (C), de acuerdo con diversas realizaciones.
Las FIG. 3 es una observación inicial de imagen digital de transferencia de contacto de alta fidelidad de patrones de gel metálico.
Las FIGS. 4A-4D son imágenes digitales de patrones de transferencia de contacto de prueba con gel metálico cargado de partículas. Los patrones tienen anchos de trazo tan finos como 0,5 mm y pasos tan finos como 0,25 mm, de acuerdo con diversas realizaciones.
Las FIG. 5 es una imagen digital de un sensor de presión modelado, de acuerdo con diversas realizaciones.
Las FIG. 6 es un gráfico de una prueba de tensión de un trazo de 8" de gel metálico encapsulado en silicona, que muestra la linealidad de la resistencia en relación con el grado de tensión.
Las FIG. 7 es una ilustración de resistencias variables orientadas a cambiar debido a la tensión a lo largo de las orientaciones de la trama o del tejido.
Las FIG. 8 es una cuadrícula simple de 1x3 con 10 resistencias variables y cuatro elementos de salida analógica, A, B, C, D. Todos los emparejamientos únicos de elementos de salida crean un vector de 6 elementos. Al ponderar adecuadamente los intervalos de resistencia de cada resistencia variable, es posible asegurar que el vector de salida codifique de forma única cada combinación posible de resistencias con una fidelidad arbitraria.
Las FIG. 9 es una imagen digital de una antena de 990 MHz impresa en gel metálico, de acuerdo con las realizaciones descritas en el presente documento.
Las FIGS. 10A-10D son varios ejemplos de patrones de trazos. 10A) es una línea simple que actuará como una resistencia variable que cambia con tensión paralela a su trayectoria. 10B) tiene una trayectoria de retorno para permitir la lectura de una señal con puertos de i/o locales entre sí. La barra de conexión vertical proporcionará un cambio de resistencia insignificante para la tensión medida en paralelo a los trazos principales. 10C) Un patrón en zigzag multiplicará la retroalimentación de resistencia/tensión por tensión perpendicular a la dirección del trazo. 10D) un trazo con una trayectoria de retorno y un multiplicador de retroalimentación de resistencia/tensión en la porción horizontal. Este trazo será sensible a la tensión paralela a su orientación, pero no perpendicular.
Las FIG. 11 es un gráfico de una pérdida de inserción medida a 6 GHz para un trazo de referencia de Cu de 1,4 mil (35 um) de espesor y una línea de gel metálico de 75 um de espesor. La pérdida de inserción aumenta para ambos materiales por efecto piel.
Las FIGS. 12A-12D son un conjunto de esquemas que muestran el encapsulado de la línea de paracaídas. 12A) Línea de paracaídas estándar con varios cordones rodeados por una funda. 12B) El gel metálico (1) está revestido con cordones de nailon en la funda creando un solo conductor. 12 C) Para crear múltiples conductores en una sola línea de paracaídas, los cordones de nailon interiores individuales pueden recubrirse con gel metálico y encapsularse en un aislante tal como un poliuretano termoestable. 12D) Alternativamente, se pueden revestir múltiples conductores (3) de gel metálico en poliuretano termoplástico y adherirse al exterior de la funda de la línea del paracaídas.
Las FIG. 13 es un diagrama de bloques del sensor de tensión básico que utiliza un par de alambres de gel metálico de longitud Ls. Los dos alambres tienen una resistencia combinada de Rs = Rs1 Rs2 = Vs/Is, donde Vs y Is s son el voltaje y la corriente de dc en el puerto de detección del puente de Wheatstone. El puente de Wheatstone tiene una salida Vo, que es proporcional a Rs, que se alimenta a un ADC para crear una salida de datos de tensión digital.
Las FIG. 14 es un diagrama de bloques que muestra cómo un diplexor permite la corriente DC, Is, para fluir a través del circuito del sensor de tensión a través de Ld, mientras que la señal de RF está acoplada por Cd en el circuito y eliminado por C1 y C2. El inductor Ld también evita que la señal de RF se cortocircuite.
Las FIGS. 15A-15C son tres métodos para crear líneas de transmisión de impedancia controladas utilizando gel metálico. 15A) Una interconexión coaxial con un conductor central (1) de gel metálico (que incluso podría ser un cordón de nailon recubierto) rodeado por una capa de encapsulación aislante y una capa (2) exterior de gel metálico con una capa exterior de encapsulación final para estabilizar la estructura. 15B) Dos líneas de gel metálico en una disposición de "doble derivación" (también llamada "bifilar"). 15C) Una capa exterior de gel metálico aplicada a la estructura en (15B) para permitir impedancias más bajas, lo que también reduce la radiación y protege las dos líneas de la interferencia electromagnética (EMI). El primer diseño (15A) tiene un conductor externo de gel (2) metálico aplicado alrededor del conductor (1) central aislado para crear una línea de transmisión coaxial que tiene una impedancia del intervalo de 30 a 100 ohmios.
Descripción detallada
En la siguiente descripción detallada, se hace referencia a los dibujos adjuntos que forman parte de la misma, y en los que se muestran a modo de ilustración realizaciones que pueden ponerse en práctica. La siguiente descripción detallada no debe tomarse en un sentido limitativo, y el alcance de las realizaciones está definido por las reivindicaciones adjuntas y sus equivalentes.
A menos que se explique lo contrario, todos los términos técnicos y científicos usados en el presente documento tienen el mismo significado que el que entiende comúnmente un experto en la técnica a la que pertenece el objeto descrito. Las definiciones de términos comunes en términos de química se pueden encontrar en The McGraw-Hill Dictionary of Chemical Terms, 1985, y The Condensed Chemical Dictionary, 1981. Salvo que se indique lo contrario, los métodos y técnicas de la presente divulgación se realizan generalmente de acuerdo con métodos convencionales bien conocidos en la técnica y como se describen en diversas referencias generales y más específicas que se citan y discuten a lo largo de la presente memoria descriptiva. Véase, por ejemplo, Loudon, Organic Chemistry, cuarta edición, Nueva York: Oxford University Press, 2002, págs. 360-361, 1084-1085; Smith y March, March's Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure, Fifth Edition, Wiley-Interscience, 2001; o Vogel, A Textbook of Practical Organic Chemistry, Including Qualitative Organic Analysis, cuarta edición, Nueva York: Longman, 1978.
Diversas operaciones pueden describirse como múltiples operaciones discretas a su vez, de una manera que puede ser útil para comprender las realizaciones; sin embargo, no debe interpretarse que el orden de descripción implica que estas operaciones dependen del orden.
La descripción puede usar descripciones con base en perspectiva tales como arriba/abajo, trasero/frontal y superior/inferior. Dichas descripciones se utilizan simplemente para facilitar la discusión y no pretenden restringir la aplicación de las realizaciones descritas.
Se pueden utilizar los términos "acoplado" y "conectado", junto con sus derivados. Debe entenderse que estos términos no pretenden ser sinónimos entre sí. Más bien, en realizaciones particulares, "conectado" puede usarse para indicar que dos o más elementos están en contacto físico directo entre sí. "Acoplado" puede indicar que dos o más elementos están en contacto físico directo. Sin embargo, "acoplado" también puede indicar que dos o más elementos no están en contacto directo entre sí, pero aún cooperan o interactúan entre sí.
Como se usa en el presente documento, los términos en singular "un", "una" y "el/la" incluyen referentes en plural a
menos que el contexto indique claramente lo contrario. De manera similar, la palabra "o" pretende incluir "y" a menos que el contexto indique claramente lo contrario. Además, como se usa en el presente documento, el término "comprende" indica "incluye". Por lo tanto, "que comprende A o B" indica que incluye A, B o A y B.
Salvo que se indique lo contrario, los valores cuantitativos son aproximados, ya sea que se indiquen o no la palabra "alrededor de" o "aproximadamente" o similares. Los materiales, métodos y ejemplos descritos en el presente documento son solo ilustrativos y no pretenden ser limitantes. Cualquier peso molecular o valores de masa molecular son aproximados y se proporcionan solo para descripción.
La descripción puede utilizar los términos "realización" o "realizaciones", que pueden referirse cada uno a una o más realizaciones iguales o diferentes. Además, los términos "que comprende", "que incluye", "que tiene" y similares, tal como se utilizan con respecto a las realizaciones, son sinónimos.
A. Introducción
Se necesitan conductores flexibles para numerosas aplicaciones en electrónica. Los dispositivos portátiles, los sensores adaptables, las pantallas flexibles, los actuadores robóticos blandos y las interconexiones extensibles requieren un medio conductor de electricidad capaz de doblarse y estirarse repetidamente. Idealmente, un conductor flexible no debería proporcionar resistencia de material al movimiento de un sustrato al que está adherido mientras mantiene la conducción a través de muchos ciclos de estiramiento y flexión. Un conductor líquido es ideal para esta tarea.
Como se mencionó con brevedad anteriormente, los conductores metálicos "líquidos" usan aleaciones eutécticas de galio, generalmente mezcladas con indio y estaño, que están incrustadas dentro de canales microfluídicos. Por lo general, estas aleaciones incluyen: galio-indio (generalmente 75 % de galio, 25 % de indio) y galio-indio-estaño (más comúnmente 68,5 % de galio, 21,5 % de indio, 10 % de estaño). Los fluidos de aleación de galio tienen viscosidades bajas y tensiones superficiales elevadas. Si bien estas aleaciones pueden ser buenos conductores, tienen importantes inconvenientes que han obstaculizado su adopción generalizada. Por ejemplo, las propias aleaciones son difíciles de procesar. Además, los canales de microfluidos son propensos a tener fugas o fallar irreversiblemente si el sustrato de la aleación está incrustado en fatigas. Por último, las aleaciones forman una capa de óxido al exponerse a la atmósfera, que no es conductora y puede provocar fallas en las uniones entre cables flexibles y componentes duros. Por lo tanto, sería un avance importante en la técnica proporcionar un fluido que sea fácil de procesar, esté protegido contra la oxidación y tenga propiedades de autocuración para permitir su funcionamiento incluso cuando su sustrato comienza a desgastarse. La divulgación actual satisface esas necesidades.
En el presente documento se divulga un material compuesto novedoso descubierto por el inventor que está compuesto por una aleación de galio y una composición de óxido de galio que incluye microestructuras distribuidas formadas a partir del óxido de galio dentro de la aleación de galio a granel como se define en la reivindicación 1. Las microestructuras se forman a partir de láminas de óxido de galio que se forman en la superficie del galio a granel para inducir la microestructura distribuida cuando se mezclan con la aleación de galio. La aleación está unida a una nanoestructura entrecruzada de cintas de óxido, que tienen un propósito similar a los agentes gelificantes de polímeros en los geles comunes con base en agua. El gel se estabiliza usando partículas de escala submicrométrica para hacer un plástico Bingham de alta viscosidad, fácilmente humectable y resistente a las fugas (un fluido que evidencia las propiedades de un sólido hasta que se aplica una fuerza de corte) que puede modelarse consistentemente en la mayoría de las superficies a temperatura ambiente. Una vez modelado, el resultado es una interconexión de fluido de alta conductividad que no afecta las propiedades del material de su sustrato. Este gel es fluido a temperatura ambiente y tiene un punto de congelación de -5 grados centígrados. El material final tiene conductividades en la escala de 2-8*105 S/m, dependiendo del grado de estabilización necesario, y dado que es relativamente fácil modelar conductores de hasta 100 um de espesor, la resistencia de la lámina resultante es bastante baja en comparación con otros conductores flexibles. La composición divulgada generalmente forma un material similar a una pasta. El óxido de galio, junto con un fluido de aleación de galio, forman micro y nanoestructuras. Estas estructuras pueden soportar una pequeña cantidad de fuerza, dependiendo de su geometría. Al distribuir una gran cantidad de micro y nanoestructuras de forma irregular compuestas de óxido de galio a través de la mayor parte de un fluido de aleación de galio, se puede crear un fluido compuesto nuevo y novedoso, con alta viscosidad y propiedades reológicas no newtonianas. El fluido se comporta de manera similar a un plástico Bingham, sosteniendo la estructura hasta que se aplica una tensión. Como se divulga en el presente documento, la creación y distribución de estas micro y nanoestructuras se puede lograr mediante el método de la reivindicación 10.
B. Descripción general de varias realizaciones
La presente divulgación relaciona con una composición conductora de la electricidad en forma de una composición de gel conductora de adelgazamiento por cizallamiento como se define en la reivindicación 1, por ejemplo con una consistencia similar a una pasta, creada aprovechando la estructura proporcionada por el óxido de galio mezclado en una aleación de galio eutéctica de tal manera que proporcione micro o nanoestructuras capaces de alterar las propiedades del material a granel de la aleación eutéctica de galio. En algunas realizaciones, el material tiene las propiedades de un plástico de Bingham. En las realizaciones, una composición divulgada tiene una viscosidad que
varía desde aproximadamente 10.000 Pas (10.000.000 centipoise) hasta aproximadamente 40.000 Pas (40.000.000 centipoise) bajo cizallamiento bajo y aproximadamente 0,15 Pa s (150) a 0,18 Pa s (180) a alto cizaNamiento. Por ejemplo, bajo condiciones de bajo cizallamiento, la composición tiene una viscosidad de aproximadamente 10.000 Pa s (10.000.000 centipoise), aproximadamente 15.000 Pa s (15.000.000 centipoise), aproximadamente 20.000 Pa s (20.000.000 centipoise), aproximadamente 25.000 Pa s (25.000.000 centipoise), aproximadamente 30.000 Pa s (30.000.000 centipoise), aproximadamente 45.000 Pa s (45.000.000 centipoise), o aproximadamente 40.000 Pa s (40.000.000 centipoise) bajo condiciones de bajo cizallamiento. Bajo condiciones de alto cizallamiento, la composición tiene una viscosidad de aproximadamente 0.15 Pa s (150 centipoise), aproximadamente 0.155 Pa s (155 centipoise), aproximadamente 0.16 Pa s (160 centipoise), 0.165 Pa s (165 centipoise), aproximadamente 0.17 Pa s (170 centipoise), aproximadamente 0.175 Pa s (175 centipoise), o aproximadamente 0.18 Pa s (180 centipoise).
La composición según se define en la reivindicación 1 incluye una mezcla de una aleación de galio eutéctica y óxido de galio, en la que la mezcla de aleación de galio eutéctica y óxido de galio tiene un porcentaje en peso (% en peso) de entre aproximadamente 59,9 % y aproximadamente 99,9 % de aleación de galio eutéctica, tal como entre aproximadamente 67 % y aproximadamente 90 %, y preferiblemente un % en peso de entre aproximadamente 0,1 % y aproximadamente 2,0 % de óxido de galio tal como entre aproximadamente 0,2 y aproximadamente 1 %. Por ejemplo, una composición descrita puede tener aproximadamente 60 %, aproximadamente 61 %, aproximadamente 62 %, aproximadamente 63 %, aproximadamente 64 %, aproximadamente 65 %, aproximadamente 66 %, aproximadamente 67 %, aproximadamente 68 %, aproximadamente 69 %, aproximadamente 70 %. %, aproximadamente 71 %, aproximadamente 72 %, aproximadamente 73 %, aproximadamente 74 %, aproximadamente 75 %, aproximadamente 76 %, aproximadamente 77 %, aproximadamente 78 %, aproximadamente 79 %, aproximadamente 80 %, aproximadamente 81 %, aproximadamente 82 %, aproximadamente 83 %, aproximadamente 84 %, aproximadamente 85 %, aproximadamente 86 %, aproximadamente 87 %, aproximadamente 88 %, aproximadamente 89 %, aproximadamente 90 %, aproximadamente 91 %, aproximadamente 92 %, aproximadamente 93 %, aproximadamente 94 %, aproximadamente 95 %, aproximadamente 96 %, aproximadamente 97 %, aproximadamente 98 %, aproximadamente 99 % o más, como aproximadamente 99,9 % de aleación de galio eutéctico, y aproximadamente 0,1 %, aproximadamente 0,2 %, aproximadamente 0,3 %, aproximadamente 0,4 %, aproximadamente 0,5 %, aproximadamente 0,6 %, aproximadamente 0,7 %, aproximadamente 0,8 %, aproximadamente 0,9 %, aproximadamente 1,0 %, aproximadamente 1,1 %, aproximadamente 1,2 %, aproximadamente 1,3 %, aproximadamente 1,4 %, aproximadamente 1,5 %, aproximadamente 1,6 %, aproximadamente 1,7 %, aproximadamente 1,8 %, aproximadamente 1,9 % y aproximadamente 2,0 % de óxido de galio.
En realizaciones, la aleación eutéctica de galio puede incluir galio-indio o galio-indio-estaño en cualquier relación de elementos. En determinadas realizaciones, una aleación de galio eutéctica incluye galio e indio. En ciertas realizaciones, una composición descrita tiene un porcentaje de galio en peso en la aleación de galio-indio que está entre aproximadamente 40 % y aproximadamente 95 %, tal como aproximadamente 40 %, aproximadamente 41 %, aproximadamente 42 %, aproximadamente 43 %, aproximadamente 44 %, aproximadamente 45 %, aproximadamente 46 %, aproximadamente 47 %, aproximadamente 48 %, aproximadamente 49 %, aproximadamente 50 %, aproximadamente 51 %, aproximadamente 52 %, aproximadamente 53 %, aproximadamente 54 %, aproximadamente 55 %, aproximadamente 56 %, aproximadamente 57 %, aproximadamente 58 %, aproximadamente 59 %, aproximadamente 60 %, aproximadamente 61 %, aproximadamente 62 %, aproximadamente 63 %, aproximadamente 64 %, aproximadamente 65 %, aproximadamente 66 %, aproximadamente 67 %, aproximadamente 68 %, aproximadamente 69 %, aproximadamente 70 %, aproximadamente 71 %, aproximadamente 72 %, aproximadamente 73 %, aproximadamente 74 %, aproximadamente 75 %, aproximadamente 76 %, aproximadamente 77 %, aproximadamente 78 %, aproximadamente 79 %, aproximadamente 80 %, aproximadamente 81 %, aproximadamente 82 %, aproximadamente 83 %, aproximadamente 84 %, aproximadamente 85 %, aproximadamente 86 %, aproximadamente 87 %, aproximadamente 88 %, aproximadamente 89 %, aproximadamente 90 %, aproximadamente 91 %, aproximadamente 92 %, aproximadamente 93 %, aproximadamente 94 %, o aproximadamente 95 %.
En ciertas realizaciones, una composición divulgada tiene un porcentaje de indio en peso en la aleación de galio-indio que está entre aproximadamente 5 % y aproximadamente 60 %, tal como aproximadamente 5 %, aproximadamente 6 %, aproximadamente 7 %, aproximadamente 8 %, aproximadamente 9 %, aproximadamente 10 %, aproximadamente 11 %, aproximadamente 12 %, aproximadamente 13 %, aproximadamente 14 %, aproximadamente 15 %, aproximadamente 16 %, aproximadamente 17 %, aproximadamente 18 %, aproximadamente 19 %, aproximadamente 20 %, aproximadamente 21 %, aproximadamente 22 %, aproximadamente 23 %, aproximadamente 24 %, aproximadamente 25 %, aproximadamente 26 %, aproximadamente 27 %, aproximadamente 28 %, aproximadamente 29 %, aproximadamente 30 %, aproximadamente 31 %, aproximadamente 32 %, aproximadamente 33 %, aproximadamente 34 %, aproximadamente 35 %, aproximadamente 36 %, aproximadamente 37 %, aproximadamente 38 %, aproximadamente 39 %, aproximadamente 40 %, aproximadamente 41 %, aproximadamente 42 %, aproximadamente 43 %, aproximadamente 44 %, aproximadamente 45 %, aproximadamente 46 %, aproximadamente 47 %, aproximadamente 48 %, aproximadamente 49 %, aproximadamente 50 %, aproximadamente 51 %, aproximadamente 52 %, aproximadamente 53 %, aproximadamente 54 %, aproximadamente 55 %, aproximadamente 56 %, aproximadamente 57 %, aproximadamente 58 %, aproximadamente 59 %, o aproximadamente 60 %.
En determinadas realizaciones (no reivindicadas), una aleación de galio eutéctica incluye galio y estaño. En ciertas realizaciones, una composición divulgada tiene un porcentaje de estaño en peso en la aleación que está entre aproximadamente 0,001 % y aproximadamente 50 %, tal como aproximadamente 0,001 %, aproximadamente 0,005 %, aproximadamente 0,01 %, aproximadamente 0,05 %, aproximadamente 0,1 %, aproximadamente 0,2 %, aproximadamente 0,3 %, aproximadamente 0,4 %, aproximadamente 0,5 %, aproximadamente 0,6 %, aproximadamente 0,7 %, aproximadamente 0,8 %, aproximadamente 0,9 %, aproximadamente 1 %, aproximadamente 1.5 %, aproximadamente 2 %, aproximadamente 3 %, aproximadamente 4 %, aproximadamente 5 %, alrededor del 6 %, aproximadamente 7 %, aproximadamente 8 %, aproximadamente 9 %, aproximadamente 10 %, aproximadamente 11 %, aproximadamente 12 %, aproximadamente 13 %, aproximadamente 14 %, aproximadamente 15 %, aproximadamente 16 %, aproximadamente 17 %, aproximadamente 18 %, aproximadamente 19 %, aproximadamente 20 %, aproximadamente 21 %, aproximadamente 22 %, aproximadamente 23 %, aproximadamente 24 %, aproximadamente 25 %, aproximadamente 26 %, aproximadamente 27 %, aproximadamente 28 %, aproximadamente 29 %, aproximadamente 30 %, aproximadamente 31 %, aproximadamente 32 %, aproximadamente 33 %, aproximadamente 34 %, aproximadamente 35 %, aproximadamente 36 %, aproximadamente 37 %, aproximadamente 38 %, aproximadamente 39 %, aproximadamente 40 %, aproximadamente 41 %, aproximadamente 42 %, aproximadamente 43 %, aproximadamente 44 %, aproximadamente 45 %, aproximadamente 46 %, aproximadamente 47 %, aproximadamente 48 %, aproximadamente 49 % o aproximadamente 50 %.
En realizaciones, una o más micropartículas o partículas de escala submicrométrica se mezclan con la aleación de galio y el óxido de galio. En realizaciones, las partículas se suspenden, ya sea recubiertas con una aleación de galio eutéctica o galio y encapsuladas en óxido de galio o no recubiertas de la manera anterior, dentro de un fluido de aleación de galio eutéctico. Estas partículas pueden variar en tamaño de nanómetros a micrómetros y pueden suspenderse en galio, aleación de galio-indio o aleación de galio-indio-estaño. La relación de partículas a aleación puede variar para cambiar las propiedades del fluido. En realizaciones, las micro y nanoestructuras se combinan dentro de la mezcla mediante sonicación u otros medios mecánicos. En realizaciones, una composición divulgada incluye una suspensión coloidal de micro y nanoestructuras dentro de la mezcla de aleación de galio/óxido de galio.
En realizaciones, la composición divulgada incluye además una o más micropartículas o partículas a escala submicrométrica dispersas dentro de la mezcla. Esto se puede lograr suspendiendo partículas, ya sea recubiertas con una aleación de galio eutéctica o galio y encapsuladas en óxido de galio o no recubiertas de la manera anterior, dentro de un fluido de aleación de galio eutéctico. Estas partículas pueden variar en tamaño de nanómetros a micrómetros y pueden suspenderse en galio, aleación de galio-indio o aleación de galio-indio-estaño. La relación de partículas a aleación puede variar para cambiar las propiedades del fluido. Además, la adición de cualquier material auxiliar a la suspensión coloidal o pasta de aleación de galio con el fin de mejorar o modificar sus propiedades físicas, eléctricas o térmicas. La distribución de micro y nanoestructuras dentro de la aleación eutéctica de galio se puede lograr mediante sonicación u otros medios mecánicos sin la adición de partículas. En ciertas realizaciones, la una o más micropartículas o partículas submicrométricas se mezclan con la mezcla con un % en peso de entre aproximadamente 0,001 % y aproximadamente 40,0 % de micropartículas, por ejemplo aproximadamente 0,001 %, aproximadamente 0,005 %, aproximadamente 0,01 %, aproximadamente 0,05 %, aproximadamente 0,1 %, aproximadamente 0,2 %, aproximadamente 0,3 %, aproximadamente 0,4 %, aproximadamente 0,5 %, aproximadamente 0,6 %, aproximadamente 0,7 %, aproximadamente 0,8 %, aproximadamente 0,9 %, aproximadamente 1 %, aproximadamente 1.5 %, aproximadamente 2 %, aproximadamente 3 %, aproximadamente 4 %, aproximadamente 5 %, aproximadamente 6 %, aproximadamente 7 %, aproximadamente 8 %, aproximadamente 9 %, aproximadamente 10 %, aproximadamente 11 %, aproximadamente 12 %, aproximadamente 13 %, aproximadamente 14 %, aproximadamente 15 %, aproximadamente 16 %, aproximadamente 17 %, aproximadamente 18 %, aproximadamente 19 %, aproximadamente 20 %, aproximadamente 21 %, aproximadamente 22 %, aproximadamente 23 %, aproximadamente 24 %, aproximadamente 25 %, aproximadamente 26 %, aproximadamente 27 %, aproximadamente 28 %, aproximadamente 29 %, aproximadamente 30 %, aproximadamente 31 %, aproximadamente 32 %, aproximadamente 33 %, aproximadamente 34 %, aproximadamente 35 %, aproximadamente 36 %, aproximadamente 37 %, aproximadamente 38 %, aproximadamente 39 %, o aproximadamente 40.
En las realizaciones, las partículas pueden ser vidrio de sosa, sílice, vidrio de borosilicato, cuarzo, cobre oxidado, cobre recubierto con plata, cobre no oxidado, tungsteno, gránulos de estaño supersaturado, vidrio, grafito, cobre recubierto con plata, tal como esferas de cobre recubiertas con plata y escamas de cobre recubiertas con plata, escamas de cobre o esferas de cobre, o una combinación de los mismos, o cualquier otro material que pueda humedecerse con galio. En algunas realizaciones, las una o más micropartículas o partículas de escala submicrométrica tienen forma de esferoides, barras, tubos, escamas, placas, cubos, prismáticos, piramidales, jaulas y dendrímeros. En ciertas realizaciones, las una o más micropartículas o partículas de escala submicrométrica están en el intervalo de tamaño de aproximadamente 0,5 micrómetros a aproximadamente 60 micrómetros, como aproximadamente 0,5 micrómetros, aproximadamente 0,6 micrómetros, aproximadamente 0,7 micrómetros, aproximadamente 0,8 micrómetros, aproximadamente 0,9. micrómetros, aproximadamente 1 micrómetros, aproximadamente 1,5 micrómetros, aproximadamente 2 micrómetros, aproximadamente 3 micrómetros, aproximadamente 4 micrómetros, aproximadamente 5 micrómetros, aproximadamente 6 micrómetros, aproximadamente 7 micrómetros, aproximadamente 8 micrómetros, aproximadamente 9 micrómetros, aproximadamente 10 micrómetros, aproximadamente 11 micrómetros, aproximadamente 12 micrómetros, aproximadamente 13 micrómetros, aproximadamente 14 micrómetros, aproximadamente 15 micrómetros,
aproximadamente 16 micrómetros, aproximadamente 17 micrómetros, aproximadamente 18 micrómetros; aproximadamente 19 micrómetros, aproximadamente 20 micrómetros, aproximadamente 21 micrómetros; aproximadamente 22 micrómetros, aproximadamente 23 micrómetros, aproximadamente 24 micrómetros; aproximadamente 25 micrómetros, aproximadamente 26 micrómetros, aproximadamente 27 micrómetros; aproximadamente 28 micrómetros, aproximadamente 29 micrómetros, aproximadamente 30 micrómetros; aproximadamente 31 micrómetros, aproximadamente 32 micrómetros, aproximadamente 33 micrómetros; aproximadamente 34 micrómetros, aproximadamente 35 micrómetros, aproximadamente 36 micrómetros; aproximadamente 37 micrómetros, aproximadamente 38 micrómetros, aproximadamente 39 micrómetros; aproximadamente 40 micrómetros, aproximadamente 41 micrómetros, aproximadamente 42 micrómetros; aproximadamente 43 micrómetros, aproximadamente 44 micrómetros, aproximadamente 45 micrómetros; aproximadamente 46 micrómetros, aproximadamente 47 micrómetros, aproximadamente 48 micrómetros; aproximadamente 49 micrómetros, aproximadamente 50 micrómetros, aproximadamente 51 micrómetros; aproximadamente 52 micrómetros, aproximadamente 53 micrómetros, aproximadamente 54 micrómetros; aproximadamente 55 micrómetros, aproximadamente 56 micrómetros, aproximadamente 57 micrómetros; aproximadamente 58 micrómetros, aproximadamente 59 micrómetros o aproximadamente 60 micrómetros.
Los aspectos de esta divulgación se relacionan además con métodos para preparar una composición de gel conductora de adelgazamiento por cizallamiento como se define en la reivindicación 10. El método incluye mezclar los óxidos superficiales formados en una superficie de un fluido de aleación de galio en la mayor parte del fluido de aleación de galio mediante sonicación u otros medios mecánicos, tales como mezcla, preferiblemente mediante mezcla por cizallamiento, de la superficie de contacto óxido/aleación; e inducir una microestructura entrecruzada en los óxidos superficiales; formando así una composición de gel conductora de adelgazamiento por cizallamiento. En realizaciones, se forma una suspensión coloidal de microestructuras dentro de la mezcla de aleación de galio/óxido de galio, por ejemplo, como partículas y/o láminas de óxido de galio.
Como se define en la reivindicación 10, los óxidos superficiales se mezclan en una relación entre aproximadamente 59,9 % (en peso) y aproximadamente 99,9 % de aleación de galio eutéctica, hasta aproximadamente 0,1 % (en peso) y aproximadamente 2,0 % de óxido de galio. Por ejemplo, el porcentaje en peso de aleación de galio mezclada con óxido de galio es aproximadamente 60 %, 61 %, aproximadamente 62 %, aproximadamente 63 %, aproximadamente 64 %, aproximadamente 65 %, aproximadamente 66 %, aproximadamente 67 %, aproximadamente 68 %, aproximadamente 69 %, aproximadamente 70 %, aproximadamente 71 %, aproximadamente 72 %, aproximadamente 73 %, aproximadamente 74 %, aproximadamente 75 %, aproximadamente 76 %, aproximadamente 77 %, aproximadamente 78 %, aproximadamente 79 %, aproximadamente 80 %, aproximadamente 81 %, aproximadamente 82 %, aproximadamente 83 %, aproximadamente 84 %, aproximadamente 85 %, aproximadamente 86 %, aproximadamente 87 %, aproximadamente 88 %, aproximadamente 89 %, aproximadamente 90 %, aproximadamente 91 %, aproximadamente 92 %, aproximadamente 93 %, aproximadamente 94 %, aproximadamente 95 %, aproximadamente 96 %, aproximadamente 97 %, aproximadamente 98 %, aproximadamente 99 % o más, tal como aproximadamente 99,9 % de aleación eutéctica de galio, mientras que el porcentaje en peso de óxido de galio es aproximadamente 0,1 %, aproximadamente 0,2 %, aproximadamente 0,3 %, aproximadamente 0,4 %, aproximadamente 0,5 %, aproximadamente 0,6 %, aproximadamente 0,7 %, aproximadamente 0,8 %, aproximadamente 0,9 %, aproximadamente 1,0 %, aproximadamente 1,1 %, aproximadamente 1,2 %, aproximadamente 1,3 %, aproximadamente 1,4 %, aproximadamente 1,5 %, aproximadamente 1,6 %, aproximadamente 1,7 %, aproximadamente 1,8 %, aproximadamente 1,9 % y aproximadamente 2,0 % de óxido de galio. En realizaciones, la aleación eutéctica de galio puede incluir galio-indio o galio-indio-estaño en cualquier relación de elementos. En determinadas realizaciones, una aleación de galio eutéctica incluye galio e indio. En ciertas realizaciones, el porcentaje en peso de galio en la aleación de galio-indio está entre aproximadamente 40 % y aproximadamente 95 %, tal como aproximadamente 40 %, aproximadamente 41 %, aproximadamente 42 %, aproximadamente 43 %, aproximadamente 44 %, aproximadamente 45 %, aproximadamente 46 %, aproximadamente 47 %, aproximadamente 48 %, aproximadamente 49 %, aproximadamente 50 %, aproximadamente 51 %, aproximadamente 52 %, aproximadamente 53 %, aproximadamente 54 %, aproximadamente 55 %, aproximadamente 56 %, aproximadamente 57 %, aproximadamente 58 %, aproximadamente 59 %, aproximadamente 60 %, aproximadamente 61 %, aproximadamente 62 %, aproximadamente 63 %, aproximadamente 64 %, aproximadamente 65 %, aproximadamente 66 %, aproximadamente 67 %, aproximadamente 68 %, aproximadamente 69 %, aproximadamente 70 %, aproximadamente 71 %, aproximadamente 72 %, aproximadamente 73 %, aproximadamente 74 %, aproximadamente 75 %, aproximadamente 76 %, aproximadamente 77 %, aproximadamente 78 %, aproximadamente 79 %, aproximadamente 80 %, aproximadamente 81 %, aproximadamente 82 %, aproximadamente 83 %, aproximadamente 84 %, aproximadamente 85 %, aproximadamente 86 %, aproximadamente 87 %, aproximadamente 88 %, aproximadamente 89 %, aproximadamente 90 %, aproximadamente 91 %, aproximadamente 92 %, aproximadamente 93 %, aproximadamente 94 % o aproximadamente 95 %. En ciertas realizaciones, el porcentaje en peso de indio en la aleación de galio-indio está entre aproximadamente 5 % y aproximadamente 60 %, tal como aproximadamente 5 %, aproximadamente 6 %, aproximadamente 7 %, aproximadamente 8 %, aproximadamente 9 %, aproximadamente 10 %, aproximadamente 11 %, aproximadamente 12 %, aproximadamente 13 %, aproximadamente 14 %, aproximadamente 15 %, aproximadamente 16 %, aproximadamente 17 %, aproximadamente 18 %, aproximadamente 19 %, aproximadamente 20 %, aproximadamente 21 %, aproximadamente 22 %, aproximadamente 23 %, aproximadamente 24 %, aproximadamente 25 %, aproximadamente 26 %, aproximadamente 27 %, aproximadamente 28 %, aproximadamente 29 %, aproximadamente 30 %, aproximadamente
31 %, aproximadamente 32 %, aproximadamente 33 %, aproximadamente 34 %, aproximadamente 35 %, aproximadamente 36 %, aproximadamente 37 %, aproximadamente 38 %, aproximadamente 39 %, aproximadamente 40 %, aproximadamente 41 %, aproximadamente 42 %, aproximadamente 43 %, aproximadamente 44 %, aproximadamente 45 %, aproximadamente 46 %, aproximadamente 47 %, aproximadamente 48 %, aproximadamente 49 %, aproximadamente 50 %, aproximadamente 51 %, aproximadamente 52 %, aproximadamente 53 %, aproximadamente 54 %, aproximadamente 55 %, aproximadamente 56 %, aproximadamente 57 %, aproximadamente 58 %, aproximadamente 59 % o aproximadamente 60 %. En determinadas realizaciones, una aleación de galio eutéctica incluye galio, indio y estaño. En ciertas realizaciones, el porcentaje en peso de estaño en la aleación de galio-indio-estaño está entre aproximadamente 0,001 % y aproximadamente 50 %, tal como aproximadamente 0,001 %, aproximadamente 0,005 %, aproximadamente 0,01 %, aproximadamente 0,05 %, aproximadamente 0,1 %, aproximadamente 0,2 %, aproximadamente 0,3 %, aproximadamente 0,4 %, aproximadamente 0,5 %, aproximadamente 0,6 %, aproximadamente 0,7 %, aproximadamente 0,8 %, aproximadamente 0,9 %, aproximadamente 1 %, aproximadamente 1,5 %, aproximadamente 2 %, aproximadamente 3 %, aproximadamente 4 %, aproximadamente 5 %, aproximadamente 6 %, aproximadamente 7 %, aproximadamente 8 %, aproximadamente 9 %, aproximadamente 10 %, aproximadamente 11 %, aproximadamente 12 %, aproximadamente 13 %, aproximadamente 14 %, aproximadamente 15 %, aproximadamente 16 %, aproximadamente 17 %, aproximadamente 18 %, aproximadamente 19 %, aproximadamente 20 %, aproximadamente 21 %, aproximadamente 22 %, aproximadamente 23 %, aproximadamente 24 %, aproximadamente 25 %, aproximadamente 26 %, aproximadamente 27 %, aproximadamente 28 %, aproximadamente 29 %, aproximadamente 30 %, aproximadamente 31 %, aproximadamente 32 %, aproximadamente 33 %, aproximadamente 34 %, aproximadamente 35 %, aproximadamente 36 %, aproximadamente 37 %, aproximadamente 38 %, aproximadamente 39 %, aproximadamente 40 %, aproximadamente 41 %, aproximadamente 42 %, aproximadamente 43 %, aproximadamente 44 %, aproximadamente 45 %, aproximadamente 46 %, aproximadamente 47 %, aproximadamente 48 %, aproximadamente 49 % o aproximadamente 50 %.
En las realizaciones divulgadas, pero no reivindicadas, se mezclan una o más micropartículas o partículas de escala submicrométrica con la aleación de galio y el óxido de galio. En ciertas realizaciones, la una o más micropartículas o partículas submicrométricas se mezclan con la mezcla con un % en peso de entre aproximadamente 0,001 % y aproximadamente 40,0 % de micropartículas en la composición, por ejemplo aproximadamente 0,001 %, aproximadamente 0,005 %., aproximadamente 0,01 %, aproximadamente 0,05 %, aproximadamente 0,1 %, aproximadamente 0,2 %, aproximadamente 0,3 %, aproximadamente 0,4 %, aproximadamente 0,5 %, aproximadamente 0,6 %, aproximadamente 0,7 %, aproximadamente 0,8 %, aproximadamente 0,9 %, aproximadamente 1 %, aproximadamente 1,5 %, aproximadamente 2 %, aproximadamente 3 %, aproximadamente 4 %, aproximadamente 5 %, aproximadamente 6 %, aproximadamente 7 %, aproximadamente 8 %, aproximadamente 9 %, aproximadamente 10 %, aproximadamente 11 %, aproximadamente 12 %, aproximadamente 13 %, aproximadamente 14 %, aproximadamente 15 %, aproximadamente 16 %, aproximadamente 17 %, aproximadamente 18 %, aproximadamente 19 %, aproximadamente 20 %, aproximadamente 21 %, aproximadamente 22 %, aproximadamente 23 %, aproximadamente 24 %, aproximadamente 25 %, aproximadamente 26 %, aproximadamente 27 %, aproximadamente 28 %, aproximadamente 29 %, aproximadamente 30 %, aproximadamente 31 %, aproximadamente 32 %, aproximadamente 33 %, aproximadamente 34 %, aproximadamente 35 %, aproximadamente 36 %, aproximadamente 37 %, aproximadamente 38 %, aproximadamente 39 %, o aproximadamente 40 %. En las realizaciones, las partículas pueden ser vidrio de sosa, sílice, vidrio de borosilicato, cuarzo, cobre oxidado, cobre recubierto de plata, cobre no oxidado, tungsteno, gránulos de estaño supersaturado, vidrio, grafito, cobre recubierto con plata, tales como esferas de cobre recubiertas con plata, y escamas de cobre recubiertas con plata, escamas de cobre o esferas de cobre o una combinación de los mismos, o cualquier otro material que pueda humedecerse con galio. En algunas realizaciones, una o más micropartículas o partículas de escala submicrométrica tienen forma de esferoides, barras, tubos, escamas, placas, cubos, prismáticos, piramidales, jaulas y dendrímeros. En ciertas realizaciones, las una o más micropartículas o partículas de escala submicrométrica están en el intervalo de tamaño de aproximadamente 0,5 micrómetros a aproximadamente 60 micrómetros, como aproximadamente 0,5 micrómetros, aproximadamente 0,6 micrómetros, aproximadamente 0,7 micrómetros, aproximadamente 0,8 micrómetros aproximadamente 0,9. micrómetros, aproximadamente 1 micrómetros, aproximadamente 1,5 micrómetros; aproximadamente 2 micrómetros, aproximadamente 3 micrómetros, aproximadamente 4 micrómetros; aproximadamente 5 micrómetros, aproximadamente 6 micrómetros, aproximadamente 7 micrómetros; aproximadamente 8 micrómetros, aproximadamente 9 micrómetros, aproximadamente 10 micrómetros, aproximadamente 11 micrómetros, aproximadamente 12 micrómetros, aproximadamente 13 micrómetros, aproximadamente 14 micrómetros, aproximadamente 15 micrómetros, aproximadamente 16 micrómetros, aproximadamente 17 micrómetros, aproximadamente 18 micrómetros, aproximadamente 19 micrómetros, aproximadamente 20 micrómetros, aproximadamente 21 micrómetros, aproximadamente 22 micrómetros, aproximadamente 23 micrómetros, aproximadamente 24 micrómetros, aproximadamente 25 micrómetros, aproximadamente 26 micrómetros, aproximadamente 27 micrómetros, aproximadamente 28 micrómetros, aproximadamente 29 micrómetros, aproximadamente 30 micrómetros, aproximadamente 31 micrómetros, aproximadamente 32 micrómetros, aproximadamente 33 micrómetros, aproximadamente 34 micrómetros, aproximadamente 35 micrómetros, aproximadamente 36 micrómetros, aproximadamente 37 micrómetros, aproximadamente 38 micrómetros, aproximadamente 39 micrómetros, aproximadamente 40 micrómetros, aproximadamente 41 micrómetros, aproximadamente t 42 micrómetros, aproximadamente 43 micrómetros, aproximadamente 44 micrómetros, aproximadamente 45 micrómetros, aproximadamente 46 micrómetros,
aproximadamente 47 micrómetros, aproximadamente 48 micrómetros; aproximadamente 49 micrómetros, aproximadamente 50 micrómetros, aproximadamente 51 micrómetros; aproximadamente 52 micrómetros, aproximadamente 53 micrómetros, aproximadamente 54 micrómetros; aproximadamente 55 micrómetros, aproximadamente 56 micrómetros, aproximadamente 57 micrómetros; aproximadamente 58 micrómetros, aproximadamente 59 micrómetros o aproximadamente 60 micrómetros.
Aspecto de la presente divulgación relacionado con artículos manufacturados que incluyen una composición divulgada, así como métodos para preparar tales composiciones. Existe un interés creciente en incorporar la electrónica en los objetos cotidianos, incluyendo la ropa y los objetos textiles que se espera que sean flexibles, que se pueden estirar y blandos. La electrónica blanda podría interactuar sin problemas con el cuerpo humano, abriendo muchas aplicaciones nuevas para dispositivos portátiles, dispositivos médicos y la perspectiva de robótica conformada o 'máquinas blandas' que podrían interactuar de manera más segura con humanos o artículos delicados.
En determinadas realizaciones divulgadas, pero no reivindicadas, el artículo de fabricación comprende un dispositivo electrónico. En determinadas realizaciones, el artículo de fabricación comprende un tejido, una película de plástico y/o una membrana. En determinadas realizaciones, las composiciones divulgadas se integran en sensores, por ejemplo, sensores usados en la detección de tensión y/o detección de cizallamiento. A modo de ejemplo, el alambre líquido deformante compuesto por una composición divulgada puede crear cambios medibles en la resistencia, capacitancia, inductancia, impedancia o frecuencia característica dependiendo de la geometría del conductor. Por ejemplo, las composiciones se pueden usar como sensores para detectar tensiones y/o cizalladuras en cualquier sustrato. Por ejemplo, una composición se puede integrar en un "geotextil" para su uso en el refuerzo de una berma o grava. En uno de estos ejemplos, un alambre largo revestido de plástico hecho de una composición divulgada podría detectar un hundimiento en la estructura del movimiento de tierras, dando una advertencia temprana de colapso. En otro ejemplo, una composición divulgada podría modelarse en líneas de suspensión de paracaídas para proporcionar retroalimentación de tensión en tiempo real que podría usarse para controlar un paracaídas dirigible automatizado.
En determinadas realizaciones divulgadas, pero no reivindicadas, el artículo de fabricación comprende un artículo de ropa para el cuerpo que comprende un tejido de base; y uno o más elementos de la composición divulgados dispuestos sobre el mismo. En diversas realizaciones, se divulga un tejido de base, por ejemplo, para equipo para el cuerpo, que puede usar uno o más elementos de la composición divulgada dispuestos sobre la misma acoplados a la superficie del tejido de base, tal como la superficie que mira hacia afuera o hacia adentro de un tejido. En una realización, la composición divulgada conduce corriente eléctrica entre diversos otros elementos de la prenda, por ejemplo, una fuente de alimentación, tal como una batería y otros dispositivos electrónicos integrados, tales como sensores.
En algunas realizaciones divulgadas, pero no reivindicadas, el artículo de ropa para el cuerpo puede incluir componentes para recopilar información y/o procesar la información recopilada, acoplado con una composición divulgada. Por ejemplo, el artículo de ropa para el cuerpo puede incluir componentes que monitorizan una o más condiciones físicas del usuario, tales como signos vitales corporales, por ejemplo, frecuencia cardíaca o electrocardiograma, pulso y temperatura y movimiento. En determinadas realizaciones, una composición divulgada está configurada como sensor de presión.
Generalmente, debe exponerse un área de superficie suficiente del tejido de base para proporcionar la función deseada del tejido de base (por ejemplo, estiramiento, caída, textura, transpirabilidad, transferencia de vapor de humedad, permeabilidad al aire y / o mecha). Por ejemplo, si hay muy poco tejido de base expuesto, pueden verse afectadas propiedades tales como la transferencia de vapor de humedad y/o la permeabilidad al aire, e incluso desproporcionadamente al porcentaje de cobertura.
En las realizaciones divulgadas, pero no reivindicadas, las composiciones eléctricamente conductoras están en el intervalo de aproximadamente 0,1 mm de ancho a aproximadamente 10,0 mm de ancho, tal como aproximadamente 0,1, 0,5, 1,0, 1,5, 2,0, 2,5, 3,0, 3,5, 4,0, 4,5, 5,0, 5,5, 6,0, 6,5, 7,0, 7,5, 8,0, 8,5, 9,0, 9,5 o 10,0 mm (en algún momento mayor) de ancho o cualquier valor o intervalo dentro.
En ciertas realizaciones divulgadas, pero no reivindicadas, la cantidad de composición y /o colocación eléctricamente conductora se selecciona para contener los costes y crear un material que sea estéticamente agradable. En realizaciones, las composiciones eléctricamente conductoras tienen un espesor en el intervalo de aproximadamente 0,05 mm a aproximadamente 5 mm de espesor, tal como aproximadamente 0,05, aproximadamente 0,1, aproximadamente 0,5, aproximadamente 1,0, aproximadamente 1,5, aproximadamente 2,0, aproximadamente 2,5, aproximadamente 3,0, aproximadamente 3,5, aproximadamente 4,0, aproximadamente 4,5, aproximadamente 5,0 mm de espesor, o cualquier valor o intervalo dentro, aunque también se contemplan espesores menores y mayores.
De acuerdo con diversas realizaciones divulgadas, pero no reivindicadas, el tejido de base puede ser parte de cualquier forma de equipo para el cuerpo, tal como ropa para el cuerpo, mantas, tiendas de campaña, moscas para la lluvia, paraguas o parasol, o cualquier material o aparato. Ropa para el cuerpo, como se usa en el presente documento, incluye cualquier cosa que se use en el cuerpo, tal como, pero sin limitarse a, ropa deportiva tal como prendas de compresión, camisetas, pantalones cortos, mallas, mangas, cintas para la cabeza y similares, prendas de vestir exteriores, tales como chaquetas, pantalones, leggings, camisas, sombreros y similares, y calzado.
En diversas realizaciones divulgadas, pero no reivindicadas, la cantidad de composición y/o colocación eléctricamente conductora puede disponerse sobre un tejido de base que tenga una o más propiedades o características deseadas. Por ejemplo, el tejido de base puede tener propiedades tales como permeabilidad al aire, transferencia de vapor de humedad y capacidad de mecha, que son necesidades comunes de la ropa para el cuerpo utilizada tanto en aplicaciones interiores como exteriores. En algunas realizaciones, el tejido de base puede tener otros atributos deseables, tales como resistencia a la abrasión, propiedades antiestáticas, actividad antimicrobiana, repelencia al agua, repelencia a las llamas, hidrofilicidad, hidrofobicidad, resistencia al viento, protección solar, protección SPF, resiliencia, resistencia a mancharse, resistencia a las arrugas y similares. En otras realizaciones, las separaciones entre la cantidad de composiciones conductoras de electricidad pueden ayudar a permitir que el tejido de base tenga una caída, apariencia y/o texturas deseadas. Los tejidos de base adecuados pueden incluir nailon, poliéster, rayón, algodón, spandex, lana, seda o una mezcla de los mismos, o cualquier otro material que tenga un aspecto, tacto, peso, espeso, tejido, textura u otra propiedad deseada.
En diversas realizaciones divulgadas, pero no reivindicadas, se puede usar una sola capa de tejido de base que comprende el tejido de base, mientras que otras realizaciones pueden usar múltiples capas de tejido, incluyendo una capa de tejido de base, acoplada a una o más de otras capas.
En diversas realizaciones divulgadas, pero no reivindicadas, la ubicación, el patrón y la cantidad de composición conductora de electricidad pueden variar. En diversas realizaciones, el patrón de la cantidad de composición eléctricamente conductora y/o ubicación puede ser simétrico, ordenado, aleatorio y/o asimétrico.
Los aspectos de esta divulgación que se divulgan, pero no se reivindican, se relacionan además con métodos para fabricar un artículo de fabricación que tiene una composición de gel de adelgazamiento por cizallamiento como se describe anteriormente. En tales métodos, la composición de gel de adelgazamiento por cizallamiento se imprime sobre al menos una superficie del artículo de fabricación.
En determinadas realizaciones, una composición divulgada se imprime o se transfiere de otro modo al sustrato. En algunas realizaciones, la impresión comprende la serigrafía. En algunos ejemplos, la impresión se realiza mediante transferencia por contacto, por ejemplo, utilizando moldes de sellos de impresión 3D fundidos en caucho de silicona y /o sellos de caucho de poliuretano. Un parámetro en los contactos de transferencia es la energía superficial del material que se va a transferir, la almohadilla de contacto y el sustrato. Un fluido generalmente mojará una superficie con mayor energía que su propia energía superficial y preferentemente mojará un sustrato con una energía aún mayor. Los cauchos de silicona (PDMS) tienen energías superficiales inusualmente bajas y se utilizan a menudo como agente de transferencia en la impresión por transferencia por contacto. En otras realizaciones, una composición divulgada se transfiere a un sustrato usando una esponja saturada que se presiona a través de una máscara para transferir material. Se encuentran disponibles una serie de espumas de poliuretano y PDMS que son para los métodos de esponja.
El objeto de la presente divulgación se ilustra adicionalmente mediante los siguientes ejemplos no limitantes.
Ejemplo
Ejemplo 1
Método de formación del material
Al trabajar inicialmente con una aleación de galio-indio-estaño (68,5, 21,5, 10) disponible comercialmente (Galistan), se observó que las aleaciones con base en galio forman capas de óxido muy rápidamente en la atmósfera. Durante el proceso de inyección del metal líquido en los canales de microfluidos de PDMS, se utilizó ácido clorhídrico (HCL) para reducir las capas de óxido en las muestras para reducir el desperdicio y permitir la construcción de dispositivos "limpios" no oxidados. En el transcurso de este proceso se observó que la muestra exhibía un comportamiento físico extraño al ser reducida por HCL. Por ejemplo, no formó Galinstan regular, sino que hizo un material viscoso. El material se pudo recolectar en pequeñas cantidades a partir de las muestras de Galistan obtenidas comercialmente.
Se hizo un primer intento para sintetizar un material similar a la espuma de Galinstan mezclándolo en perlas de vidrio de 30 micrómetros. En presencia de oxígeno, el galinstan moja fácilmente el vidrio a través de su capa de óxido. Inicialmente se esperaba que "mojara" las perlas de vidrio de esta manera y se formaría una pasta de Galinstan y vidrio de esta manera, que podría ser de alta viscosidad y fácilmente moldeada en formas arbitrarias.
Anteriormente se había informado que el único mecanismo por el cual el galio-indio y las aleaciones relacionadas se humedecen en cualquier superficie no metálica es a través de la adhesión de su capa de óxido y el atrapamiento resultante del fluido debajo de esa capa. La hipótesis era que el galio-indio-estaño mojaría de tal manera las perlas, con una fina capa de metal fluido directamente en contacto con el vidrio, atrapada en su lugar por una capa de óxido. A través de la mezcla, las perlas de vidrio entrarían repetidamente en contacto con la atmósfera, formando sucesivas capas de óxido atrapando sucesivas capas de galio-indio-estaño. Cuando se volvieron a sumergir estas estructuras, se esperaba que las fuerzas de cizallamiento de la mezcla hicieran que las capas de óxido se rompieran y formaran
una estructura dispersa, permitiendo una suspensión coloidal de las perlas de vidrio y aumentando la viscosidad del fluido.
Este método funcionó bien con perlas de 30 micrómetros y una variedad de otros tamaños. Esto condujo al descubrimiento de que cualquier red fina de estructura de óxido de galio entrelazada absorbería la aleación de galioindio y proporcionaría una estructura interna al fluido que aumentaría la viscosidad. Con una viscosidad más alta, el fluido sería más fácil de extrudir y podría formarse de manera confiable en geometrías conductoras utilizando técnicas de impresión tradicionales, tales como la deposición por boquilla o la impresión estarcida. El fluido de alta viscosidad resultante se denomina gel de galio-indio, gel de aleación de galio-indio, gel metálico o simplemente gel.
Ejemplo 2
Método adicional de formación de material
Primero, se crearon microestructuras de óxido de galio sonicando galio-indio-estaño que se humedeció sobre un plano de vidrio. La sonicación provocó la formación de microestructuras en la superficie del óxido de galio. Las sucesivas sesiones de sonicación y mezcla mezclaron estas estructuras en la mayor parte del fluido, lo que finalmente dio como resultado un gel que consistía en galio-indio-estaño y aproximadamente 0.84 % de óxido. Este gel era menos propenso a la separación que el elaborado con perlas de vidrio y, naturalmente, tiene una conductividad a granel mucho más alta. Curiosamente, el ácido clorhídrico, que se utiliza a menudo para reducir el óxido en las aleaciones de galio, reduce solo el óxido de la superficie del gel producido de esta manera, dejando intacta la estructura interna. Esto contrasta con el gel elaborado con perlas de vidrio, que es totalmente reducido por HCL, provocando una completa separación de las perlas del gel y una disminución de la viscosidad.
Ejemplo 3
Método adicional de formación de material
Una tercera técnica exitosa implicó el uso de una barra mezcladora parcialmente sumergida en un baño de galio-indio o galio-indio-estaño y rotando a muy altas RPM para crear un vórtice. Un vórtice creado de esta manera hace que se formen paredes delgadas e inestables de galio-indio y su capa de óxido alrededor de la barra de mezcla, extendiéndose varios centímetros por encima del nivel del fluido. Debido a estas paredes, el vórtice tiene una gran área de superficie y sublima una gran cantidad de óxido en el fluido. El fluido aumenta rápidamente de viscosidad, lo que requiere una mezcla orbital. El fluido resultante no es homogéneo, el gel de galio-indio flota en la superficie, debido a la mezcla de burbujas de aire, mientras que la aleación de galio-indio de baja viscosidad forma un charco en el fondo. El gel se puede drenar colocándolo en una pendiente, luego se recoge y se realiza un ciclo de vacío para extraer el aire. El gel resultante es comparable al producido mediante sonicación.
Ejemplo 4
Creación de composiciones transferibles de sellos
Tanto el galio como el indio son caros. Su conductividad es adecuada, pero mucho más baja que la del cobre o la plata (3,46 * 106 S/m en comparación con 58,5 * 106 S/m para cobre). Se pensó que era deseable crear una suspensión de aditivos en el gel tanto para disminuir el coste como para aumentar la conductividad. Se intentaron múltiples aditivos.
Tanto los geles de microesferas como los de escamas son resistentes al desplazamiento cuando se aplica presión durante el encapsulado mediante adhesivos o soldadura termoplástica.
Una innovación fue que tanto los geles cargados en escamas como los de cobre puro se vuelven transferibles con sellos. Se puede recubrir un sello de prensa de letras normal con el material aditivo de gel y luego presionar contra un sustrato adecuado, y el patrón en el sello se transferirá con alta fidelidad. De esta manera se crearon características tan pequeñas como 0,5 mm, con pasos tan pequeños como 0,25 mm. Tales deposiciones eran extremadamente delgadas, alrededor de 25 micrómetros.
Ejemplo 5
Creación de composiciones transferibles de sellos
Se ha probado la impresión por contacto macro, hasta ahora sin éxito para otros líquidos que contienen galio. Para la litografía de sellos, también se han intentado sin éxito los intentos de transferir una línea continua y un rectángulo relleno sobre un sustrato de elastómero utilizando sellos planos y texturizados. Aunque este método de transferencia es similar a los enfoques existentes en el pasado, otros grupos no tuvieron éxito en extender esta técnica a la aleación de ganancia en fase líquida. Por ejemplo, Galinstan no humedece el elastómero en algunas regiones y se fusiona en gotas en otras. En el caso del sello texturizado, las gotas depositadas por cada hoyuelo no se fusionan de manera
uniforme. Esta humectación desigual puede resultar de una humectación no uniforme durante el "entintado", cuando el sello se recubre inicialmente con Galinstan, o de presiones de contacto no uniformes durante la transferencia.
Estos problemas se superaron con las composiciones divulgadas mezclando partículas de bajo micrómetro y nanoescala en el gel de óxido/aleación de galio. Aunque no está limitado por la teoría, se cree que las partículas añadidas se adhieren a las estructuras de óxido y no flotan libremente en el metal de galio. El refuerzo del óxido asegura que se rompa en trozos más grandes y generalmente restringe el flujo en el sistema. Quizás lo más importante es que cuando ocurre una ruptura, el flujo de metal probablemente recoge las partículas de óxido agregadas y las arrastra, lo que impide el flujo libre. También es probable que exista una interacción entre el galio, indio o estaño y la plata o el cobre en algunas de las partículas metálicas utilizadas que pueden formar intermetálicos inestables, que crean una estructura fina adicional en el fluido, impidiendo su libre flujo.
Se probaron varios esquemas de carga para cada aditivo. Todos se mezclaron mecánicamente a una velocidad de adición constante en un gel preparado previamente. Se intentó cargar hasta un 54 %, aunque cargas más altas de metal provocan el endurecimiento de la mezcla resultante a través de un proceso desconocido (formación probable de aleaciones o intermetálicos).
Se encontró que cargas de escamas de cobre recubiertas de plata entre 10-30 % en peso creaban un material compuesto con una consistencia similar a la arcilla que se extendía en láminas planas muy uniformes cuando se depositaba con una espátula o un cepillo. Las imágenes del microscopio electrónico de barrido (SEM) mostraron que las láminas de material depositado tenían una altura uniforme hasta un grado notable, aunque todavía no medido con precisión (véanse las FIGS. 1A-1E). Las FIG. 1A muestra galio-indio-estaño regular sin procesar (nótese que está borroso porque tiene una viscosidad muy baja y, por lo tanto, vibra debido al impacto del haz de electrones. Las FIG.
1B muestra un gel estabilizado en escamas de escala micrométrica (imagen de 500 micrómetros de ancho), la FIG.
1C muestra gel no estabilizado (90 micrómetros de ancho), la FIG. 1D muestra gel no estabilizado batido en una forma erecta, para mostrar sus propiedades semisólidas (75 micrómetros de ancho), la FIG. 1E de gel no estabilizado (vista de 250 micrómetros).
Una vez encapsuladas, las hojas parecen fluidas y se estirarán y reformarán bajo las fuerzas de su canal encapsulante. Las microesferas o escamas de cobre, cargadas al 10-30 % en peso, crean un fluido más viscoso, volviéndose algo sólido y desmenuzable cerca del intervalo superior de carga.
Para probar la compresibilidad, se presionaron nuevas formulaciones entre capas de "cinta de rescate", un sustrato de PDMS autoadhesivo disponible comercialmente, y se verificó la uniformidad del flujo debido a la compresión.
La FIG. 2A y B muestran pruebas de compresión fallidas (A, B) y satisfactorias (C) una al lado de la otra. Nótese las 'rebabas' que salen a chorro del cuerpo principal de las compresiones fallidas. Estos son causados por un flujo desenfrenado de galio metálico que se mueve por separado del sistema compuesto. Por el contrario, la carga de aditivo de partículas en la prueba exitosa es tal que el sistema debe fluir junto y esparcirse uniformemente en la compresión. Esto es muy deseable para encapsular el gel conductor usando técnicas industriales establecidas tales como películas de plástico termosoldadas alrededor de un patrón depositado. Durante la realización de estas pruebas de compresión se observó que los patrones se transfirieron entre los sustratos con una fidelidad muy alta cuando se despegaron (ver FIG. 3)
Para probar aún más las prometedoras técnicas de impresión por contacto, se utilizó un sello artístico con patrón de 'nudo celta' que tenía una variedad de trazos de anchos, pasos y patrones. Las FIGS. 4A-4D muestran que las pruebas iniciales con ese sello produjeron excelentes resultados. Patrones con trazos de anchos tan finos como 0,5 mm y pasos tan finos como 0,25 mm.
El proceso de transferencia dependía en gran medida de la cantidad de gel metálico que se cargaba inicialmente en el sello, de la uniformidad del sustrato y del sello y de la presión aplicada.
Con estas técnicas, se pueden fabricar dispositivos útiles con transferencia de sellos. Las FIG. 5 muestra un sello encapsulado, con conductores acoplados. Esta configuración actúa como sensor de presión. Cuando se aplica presión, el patrón se desvía y se comprime, cambiando su resistencia de manera apreciable. Con un proceso de impresión por transferencia de mayor fidelidad y patrones de trazos personalizados, este podría ser un sensor de presión muy económico y muy útil. El tiempo total de construcción fue de aproximadamente 1 minuto a mano, incluyendo el acoplamiento de cables y el encapsulado. Este proceso de fabricación es muy escalable y permite la creación rápida de patrones de geometrías de trazos arbitrarias en dos dimensiones.
Ejemplo 6
Detección de tensión con geles metálicos eutécticos
Las formulaciones divulgadas permiten la detección de tensiones y deformaciones a gran escala mediante el uso de materiales compuestos de gel metálico eutéctico que se pueden imprimir de una manera similar a una tinta o pintura
sobre una variedad de sustratos para crear trazos conductores. Debido a que el material divulgado es un fluido amorfo a temperatura ambiente, se puede deformar y estirar sin fatiga. Un trazo delgado colocado sobre un forro de tejido de plástico puede flexionarse y estirarse sin afectar la sensación de la tela. Encapsular tal trazo con una segunda capa de forro de tejido creará una trayectoria conductora sellada. Estas aplicaciones ya han sido demostradas para su uso en sensores de tensión y para alambres extensibles y de perfil bajo no sensibles para ropa deportiva inteligente.
La estructura de metal amorfo de los materiales divulgados proporciona que cuando se estira o se deforma de otra manera hay un cambio de resistencia lineal que se puede usar para la detección (véase la FIG. 6). Cuando se modela en una lona de paracaídas y se integra con un puente de Wheatstone y un convertidor analógico a digital, los cambios de resistencia se pueden usar para medir fuerzas dinámicas y tensiones durante el despliegue del paracaídas.
Cualquier segmento de alambre de gel metálico servirá a un conductor variable cuya variación será una función de la tensión paralela al conductor. Esto permite construir una gran cantidad de patrones de detección de tensión, con diversas resoluciones. En el caso más simple, se podrían modelar dos trazos sobre cada segmento en un paracaídas, uno viajando en la dirección de la trama y el otro viajando en la dirección del tejido (véase la FIG. 7). Al medir los cambios de conducción en ambos, se puede extraer un perfil de tensión para el segmento del paracaídas individual. Con un patrón correcto, ciertas porciones de trazos pueden tener un cambio de resistencia lineal desproporcionadamente alto en respuesta a la tensión. Un patrón en zigzag, por ejemplo, mostrará un cambio de resistencia desproporcionadamente alto si se tensa en un eje perpendicular a la trayectoria del trazo. Con esta función, se pueden construir múltiples trazos a lo largo de un segmento con un patrón apropiado sobre un área de interés para obtener información de tensión. Esto aumentaría la resolución de la detección de tensión sobre el segmento y permitiría extrapolar un mapa de tensiones completo.
Se podría lograr una resolución muy alta construyendo una malla de trazos de gel metálico interconectadas. Cada segmento de la malla sería una resistencia variable dependiente de la tensión en la dirección de la trama o del tejido, dependiendo de su orientación. Todos los emparejamientos únicos de elementos de salida crean un vector de 6 elementos. Al ponderar adecuadamente los intervalos de resistencia de cada resistencia variable, se puede garantizar que el vector de salida codifique de forma única cada combinación posible de resistencias con una fidelidad arbitraria (véase, por ejemplo, la FIG. 8).
La resolución de valores de resistencia en una malla conectada de resistencias variables con base en un vector de i/o finito es un problema bien entendido que se encuentra a menudo en el campo del diseño y validación de VLSI. Utilizando técnicas ya desarrolladas, se puede desarrollar un barrido de los valores de resistencia a los valores de resistencia del vector de i/o que permitiría una lectura rápida y efectiva de la tensión en cada segmento de la superficie de la lona del paracaídas que es atravesado por un segmento de gel conductor. Con este método se podrían lograr resoluciones mejores que 1 cm cuadrado.
Recuperación de datos
Debido a que el gel metálico actúa exactamente como un metal, las señales eléctricas se pueden transmitir a través de una conexión por alambre hecha de un trazo de gel metálico que corre por una línea de suspensión o por difusión. Cada segmento podría haberse cosido en un pequeño sistema integrado que lee los valores de la resistencia y los alimenta a un formato de transmisión estándar. Estas señales podrían introducirse en antenas de gel metálico impresas en la superficie de la lona (véase la FIG. 9). Las antenas se pueden estirar, cambiando su frecuencia de funcionamiento; sin embargo, dichos cambios son lineales y pueden adaptarse. Un patrón de antenas que transmiten identificaciones únicas también podría proporcionar mapas de tensión de baja resolución de la superficie de la lona. Aunque es posible, la transmisión de datos y la detección de tensiones a través de señales de RF no se proponen en la propuesta de la Fase I.
En cualquiera de los métodos anteriores, la tensión se mediría directamente en la superficie de la lona, sin la necesidad de fuentes externas de iluminación o detección remota. Esto permitiría no solo la medición de alta resolución del campo de tensión sin la sobrecarga computacional del procesamiento de imágenes, sino también sistemas desplegables en el campo que no serían sensibles a los niveles de luz variables, condiciones climáticas adversas o desalineación de la carga útil/lona.
Validación de las técnicas actuales de encapsulado y modelado de gel metálico para el tejido de lona de paracaídas.
El objetivo es adherirse al material de nailon de la lona de un paracaídas. No se prevé que un trazo fino de TPU o un adhesivo de silicona afecten negativamente al material subyacente. Sin embargo, se realizan pruebas de resistencia a la tracción y fatiga para garantizar que no haya efectos negativos. La evaluación se realiza para la aplicación directa de adhesivos con base en silicona, tal como Dow Corning 7091 al tejido del paracaídas y el posterior modelado de gel metálico sobre el sellador curado y la adhesión de los trazos de gel metálico encapsulado de TPU al tejido de lona.
Caracterización de trazos de gel metálico sobre el tejido de lona del paracaídas
La prueba de tensión en trazos de gel metálico encapsulado al tejido del paracaídas se realiza para medir la relación de retroalimentación de resistencia a la tensión en las direcciones de trama y tejido. Se medirá una variedad de patrones de trazos estándar en las orientaciones de tejido y trama a través de los intervalos de tensión deseados de.2-25 %. Se utilizarán valores caracterizados de resistencias variables de gel metálico eutéctico.
Uso de la salida de caracterización para la detección de tensión por resistencia variable dimensional del modelo 2
Mediante el uso de herramientas de simulación comerciales tales como MatLab y LabView, se modelarán múltiples topologías de galgas extensométricas bidimensionales. De particular interés son las redes de malla de resistencias variables. Al simular estas redes con valores reales derivados como se describe a continuación, se generará un mapeo de la red de superficie de alta dimensión de resistencias variables lineales acopladas a un vector de salida que puede tomar un intervalo continuo de valores. Dicho mapeo se almacenará en una tabla de búsqueda que se puede utilizar para interpretar las salidas de la red de resistencias variables en experimentos a gran escala.
Caracterizar paracaídas de pequeña escala con topología de resistencia variable en túnel de viento
Un paracaídas de pequeña escala, de una sola cornamenta y de menos de 3 pies, se modelará con dos sensores de tensión de gel metálico eutéctico, uno para la dirección de la trama y otro para el tejido. El sistema se desplegará en un túnel de viento y se caracterizarán los resultados.
Iteración de pruebas de túnel de viento con aumento de la resolución del sensor.
Se construirán, probarán y validarán redes de detección de resolución cada vez más de alta en un simple paracaídas con pruebas anteriores. Los datos de las marquesinas de los sensores de tensión se utilizarán para validar los datos de salida de una prueba de cuatro sensores, que a su vez se utilizará para validar los datos de patrones cada vez más complejos y de alta resolución.
Validar las técnicas actuales de encapsulado y modelado de gel metálico para el tejido de lona del paracaídas
Se prepararán trazos de resistencias variables dentro de las películas de TPU. Se adhirieron estas películas a muestras de material de la lona del paracaídas que median aproximadamente un pie por tres pulgadas. Además, el adhesivo de silicona, tal como el adhesivo/sellador Dow Corning 7091, se aplicará directamente a la lona del paracaídas, se modelará un gel metálico sobre el adhesivo y se colocará una segunda capa de encapsulación. El resultado de esta tarea serán las mejores prácticas para depositar gel metálico en el material de la lona del paracaídas.
Caracterización de trazos de gel metálico sobre el tejido de lona del paracaídas
Las muestras preparadas anteriormente se fatigarán durante 350 ciclos y se tensarán hasta fallar en un Instron 3365. Los resultados se compararán con muestras de control del tejido de lona sin trazos de gel metálico para asegurar que el tejido de lona no se vea afectado negativamente. Al concluir estas pruebas, se realizará una caracterización más complicada de las relaciones tensión/resistencia para diferentes geometrías de trazos. Se caracterizará el Factor de Galga (GF), para una muestra de Ls= 0,5 metros de tejido de lona con trazo de gel metálico integrado en tanto la dirección de la trama como del tejido midiendo el cambio normalizado en la resistencia ARs/ Rs frente tensión, £ = ALs /Ls, dónde:
Para obtener los datos para calcular GF, se montarán muestras de material de la lona con trazos de detección de tensión integrados en una máquina de prueba Instron 3365 equipada con una celda de carga de 2 kN y un LVDT para medir el desplazamiento ALs. Las pruebas de tensión cuasi estáticas se llevarán a cabo en tensiones de 0-20 % en pasos de 0,25 %. Las pruebas de tensión dinámica se realizarán en el intervalo de 0-20 % durante 350 ciclos en cada muestra. Los datos de desplazamiento se recopilarán en Labview para todas las pruebas.
El cambio de resistencia, ARs, se mide utilizando un puente de Wheatstone, que genera un voltaje de salida analógico, Vo, que es función del cambio de resistencia en su entrada. En esta aplicación, la resistencia a la "tensión" de entrada viene dada por Rs= Vs/Is, donde dos alambres de gel metálico de longitud Ls, tiene resistencias Rsi y Rs2. Estos dos alambres representan los dos conductores en topologías de detección de tensión, como se muestra en la FIG. 10A-10D. La tensión de salida analógica, Vo, se convierte a datos digitales mediante el uso de un ADC (convertidor analógico a digital) de National Instruments para su análisis en Labview, donde se convertirá en datos de Rs. El ADC tiene una resolución espacial objetivo suficiente para detectar un cambio de voltaje del 0,25 % con una tasa de muestreo de 1.000 Hz. La relación del cambio en la resistencia ARs a la resistencia a la tensión nominal cero Rso dividida por la tensión, £, da GF. En la práctica, conectar este sistema a un microcontrolador producirá una vista dinámica en tiempo real de la tensión durante el despliegue del paracaídas. Durante esta tarea, se probarán múltiples
patrones conductores tanto en las orientaciones de trama como de tejido. Estos patrones incluirán trazos de ancho de 1 a 4 mm en incrementos de 0,5 mm en diversas geometrías.
Construcción del modelo de factor de galga para simulación
Usando los GF medidos, se creará un modelo de simulación en MatLab o LabView. Este modelo consistirá en un catálogo de resistencias variables con porcentajes de tensión como la entrada y cambios de resistencia apropiados para el patrón de gel metálico como salida. Este catálogo de trazos de gel metálico conocidos y caracterizados se utilizará a continuación.
Modelo de detección de tensión de resistencia variable de 2 dimensiones múltiples
Usando MatLab o Labview, se construirán simulaciones de circuitos para diversas topologías de resistencias variables. Utilizando el catálogo de modelos de resistencias variables generados, se pueden ejecutar simulaciones precisas de la tensión del tejido de lona cambiando los valores en una red de resistencias variables simuladas. Usando estas simulaciones, se pueden diseñar y probar nuevas topologías para lograr diseños de alta resolución. Serán de particular interés los patrones de rejilla de resistencias variables, ya que son fáciles de construir con una alta densidad de sensores de tensión. Sin embargo, no se descartan otras redes de resistencias variables desconectadas o escasamente conectadas para detección de alta resolución. El resultado de esta tarea será un conjunto de patrones modelados que se pueden colocar en prototipos de sistemas de marquesina.
Caracterizar paracaídas de pequeña escala con topología de resistencia variable en túnel de viento
Se comprará un pequeño paracaídas y se unirán dos trazos de gel metálico en un segmento. Uno estará en la dirección de la trama, otro en la dirección del tejido. Estos rastros se conectarán directamente a un puente de Wheatstone al circuito ADC conectado a un ordenador que ejecuta LabView para el registro en tiempo real de los resultados de la tensión. Luego, la configuración se implementará en un túnel. Se tomarán datos en tiempo real mientras el paracaídas se despliega en el túnel de viento.
Iteración de pruebas de túnel de viento con aumento de la resolución del sensor.
Utilizando los datos recopilados anteriormente como validación, se probarán dos patrones adicionales de mayor resolución. Estos patrones estarán basados en simulación y servirán para validar el modelo. Se anticipa que un patrón será una rejilla de resistencias variables con un vector de salida como se describe en la FIG. 8. El otro patrón será una red desconectada de trazos geométricos que abarcan la superficie del paracaídas que multiplican la salida y brindan una mayor resolución al tener un trazo de trama y tejido independiente que abarque múltiples porciones de la superficie de la lona con líneas de i/o dedicadas, de modo que descifrar la retroalimentación de la tensión será trivial.
Ejemplo 7
Aplicación a un cordón de suspensión de paracaídas de fibra de nailon
La aplicación directa de gel metálico eutéctico a un cordón de suspensión de paracaídas de fibra de nailon se puede realizar a temperatura ambiente sin necesidad de un procesamiento químico intermedio. Se podría utilizar un agente aglutinante flexible y que se puede estirar, tal como resina de poliuretano de 2 partes o elastómero de silicona, para encapsular permanentemente el gel contra el cordón de nailon y evitar cualquier desplazamiento durante la manipulación y empaquetado normales de los sistemas de suspensión y línea de control del paracaídas. Se espera que este proceso deje sin cambios la máxima resistencia a la tracción y flexibilidad de la línea de paracaídas.
Es importante destacar que la estructura de metal amorfo de las composiciones divulgadas asegura que cuando se estira o se deforma de otro modo, hay un cambio de resistencia lineal y repetible que se puede usar para la detección. Cuando se modela en un cordón de paracaídas estándar tal como PIA-C-5040 y se integra con un puente de Wheatstone, con un convertidor analógico a digital, estos cambios de resistencia lineales y repetibles se pueden usar para medir fuerzas dinámicas y tensiones durante el despliegue del paracaídas.
Se han realizado pruebas para demostrar la viabilidad de recubrir un cordón interior de una línea de paracaídas MIL-C-5040H. El gel metálico logró una buena humectación del nailon y creó un trazo de baja resistencia al tiempo que agregaba un peso insignificante.
La resistencia de los conductores de alambre líquido se puede diseñar ajustando el espesor y el ancho para que sea del orden de 1 a 100 ohmios por metro, lo que es ideal para aplicaciones que requieren que se mida la resistencia frente al estiramiento, ya que el valor de resistencia es lo suficientemente alto como para dar una buena relación señal a ruido en un puente de Wheatstone. Las resistencias más altas, tal como las de los recubrimientos conductores con base en CNT, dan como resultado corrientes muy pequeñas que se corrompen fácilmente por interferencias electromagnéticas (EMI). De manera similar, el cobre tiene un valor de resistencia tan bajo que la caída de voltaje en unos pocos metros de línea es demasiado pequeña para ser práctica y también sufre problemas de EMI. Los valores
de resistencia típicos para una línea con las dimensiones de una línea de control MIL-C-5040H que mide 6 pies de largo recubierta con gel metálico están entre 2 y 20 ohmios, dependiendo del espesor de la deposición.
Los cambios representativos en la conductividad se pueden ver en la FIG. 6 que muestra la respuesta a la tensión de un alambre de gel metálico encapsulado en un caucho de silicona. La prueba se llevó a cabo utilizando una plantilla ajustable capaz de estirar la muestra en pasos de 1,5 mm y un medidor de ESR para medir con precisión la resistencia por debajo de 1 ohmio de la muestra durante la prueba de tensión cuasiestática.
Aunque no son tan conductores como el cobre, los conductores con base en gel metálico siguen siendo viables para enviar datos a alta velocidad. Las pruebas de trazos planos destinadas a la ropa han demostrado que el material es adecuado para la transmisión de señales de hasta al menos 6 GHz, lo que permite que las interconexiones se incorporen directamente en los sistemas de transmisión de frecuencia de radio o microondas disponibles en el mercado. Las FIG. 11 muestra la pérdida de inserción medida para una línea de microcinta de 50 ohmios hecha de cobre frente a gel metálico. Otras soluciones que utilizan conductores orgánicos pueden tener varios kilo-ohmios de resistencia, lo que las hace poco prácticas para transportar señales de RF más de unas pocas pulgadas.
Prueba del factor de galga de gel metálico para detección de tensión
El factor de galga (GF) de un cordón de nailon de 0,5 metros con rastro de gel metálico integrado se caracterizará para la detección de tensión axial. Esto se logra midiendo el cambio normalizado en la resistencia (AR/R) frente a la tensión (AL/L).
Capacidad de transporte de señal de RF
La meta de este objetivo es probar diferentes tipos de líneas de transmisión hechas de gel metálico para caracterizar su capacidad de transporte de señales de RF. Esto incluirá el control de la impedancia característica de la línea de transmisión. Las líneas de transmisión se diseñarán para ser compatibles con el factor de forma del cable de línea de paracaídas estándar.
Blindaje de interferencia electromagnética (EMI)
Para evitar que el EMI sea radiado por las líneas de gel metálico (emisión radiada) o recibidas por ellas (susceptibilidad radiada), es probable que sea necesario utilizar algún tipo de protección conductora. Este escudo rodeará las líneas de gel metálico completamente o quizás solo parcialmente. El objetivo es probar la viabilidad de usar poliuretano o silicona cargados con negro de carbón, o gel metálico como capa protectora blindada sobre un aislante que recubre un conductor interno, o conductores, hechos de gel metálico.
Efecto del gel metálico eutéctico y la encapsulación en la durabilidad de la línea de suspensión
Las líneas de paracaídas deben tener su flexibilidad y durabilidad sustancialmente inalteradas por la adición de un gel metálico eutéctico. Se medirá la resistencia máxima a la tracción de las líneas recubiertas y se comparará con las versiones sin recubrimiento. Asimismo, el recubrimiento de gel metálico conductor debe poder resistir los mismos requisitos de flexibilidad y durabilidad a los que se sujetan las líneas de suspensión. Por esta razón, se probará la retroalimentación de tensión dinámica colocando una tensión repetida en la línea durante 350 ciclos. El objetivo es que no haya fallas por parte del conductor ni de la línea de suspensión del paracaídas.
Aplicación de geles metálicos a las líneas de paracaídas PIA-C-5040
En esta tarea, se aplicarán y modificarán, según sea necesario, técnicas de deposición conocidas utilizadas para superficies planas, tales como las que se encuentran en los textiles para prendas de vestir, a las superficies cilíndricas de los cordones interiores de nailon de las líneas de suspensión de paracaídas estándar. El posterior encapsulado de los cordones recubiertos se realizará utilizando silicona y poliuretano bicomponente. Además, se utilizarán métodos conocidos para encapsular gel metálico en películas de TPU para crear sensores de tensión grandes, extremadamente flexibles, que se pueden estirar y de bajo perfil que se pueden adherir al exterior de las líneas de control de nailon o entre los cordones centrales y del manguito en suspensión de paracaídas y líneas de control. Este enfoque tendría la ventaja adicional de ser aplicable también al material de la lona del paracaídas, ya que las mismas interconexiones encapsuladas de TPU de perfil bajo podrían adherirse a las líneas de control y la lona. En las FIGS. 12A-12D se muestran algunos métodos posibles. 12A-12D. Después de evaluar las técnicas, se prevé que se fabricarán un total de cuatro tipos de líneas de paracaídas de detección de tensión: Una con un recubrimiento no encapsulado en los ocho cordones internos con la funda que proporciona encapsulación (FIG. 12B), una con dos cordones internos de nailon recubiertos de gel metálico encapsulado en poliuretano que proporcionan una línea de señal de salida y de retorno (FIG. 12C), una con la misma disposición encapsulada en caucho de silicona y otra con una cinta de detección de TPU separada que corre a lo largo de la línea del paracaídas (FIG. 12D). Se pueden construir varias líneas de cada tipo para facilitar las pruebas.
Pruebas de resistencia a la tracción e intervalo de tensión
Las líneas de paracaídas PIA-C-5040 con trazos de detección de tensión integradas se montarán en una máquina de prueba Instron 3364 equipada con una celda de carga de 5 kN y se tensarán hasta su punto de falla. Las pruebas se compararán con líneas de paracaídas estándar sin trazos de detección de tensión integrados. El intervalo lineal de la retroalimentación de tensión de los trazos conductores se evaluará sobre el alargamiento total, desde 0 % hasta la falla (anticipado al 30 %). Se generarán datos sobre el impacto de las técnicas en la resistencia máxima a la tracción de las líneas del paracaídas.
Factor de galga de gel metálico para detección de tensión S
El objetivo de esta tarea es caracterizar el factor de galga, GF, para una Ls= Cordón de nailon de 0,5 metros con trazo de gel de metálico integrado para detección de tensión mediante la medición del cambio normalizado en la resistencia ARs/Rs frente a la tensión, £ = ALs/Ls, dónde:
Para obtener los datos para calcular, las líneas de paracaídas GF con trazos de detección de tensión integrados se montarán en una máquina de prueba Instron 3365 equipada con una celda de carga de 2 kN y un LVDT para medir el desplazamiento ALs. Las pruebas de tensión cuasi estáticas se llevarán a cabo en tensiones de 0-20 % en pasos de 0,25 %. Las pruebas de tensión dinámica se realizarán en el intervalo de 0-20 % durante 350 ciclos en cada muestra. Los datos de desplazamiento se recopilarán en Labview para todas las pruebas. El cambio de resistencia, ARs, se mide utilizando un puente de Wheatstone, que genera un voltaje de salida analógico, Vo, que es función del cambio de resistencia en su entrada. En esta aplicación, la resistencia a la "tensión" de entrada viene dada por Rs= Vs/Is como se muestra en la FIG. 13, donde dos alambres de gel metálico de longitud Ls, tienen resistencias Rsi y Rs2. Estos dos alambres representan los dos conductores en topologías de detección de tensión, como se muestra en la FIG. 12C y D. La tensión de salida analógica, Vo, se convierte a datos digitales mediante el uso de un ADC (convertidor analógico a digital) de National Instruments para su análisis en Labview, donde se convertirá en datos de Rs. El ADC tiene una resolución espacial objetivo suficiente para detectar un cambio de voltaje del 0,25 % con una tasa de muestreo de 1.000 Hz. La relación del cambio en la resistencia ARs a la resistencia de tensión nominal cero R dividida por la tensión, £, da GF. En la práctica, conectar este sistema a un microcontrolador producirá una vista dinámica en tiempo real de la tensión durante el despliegue del paracaídas.
Capacidad de transporte de señales de RF.
Esta tarea demostrará la transmisión de señales de RF a lo largo de las líneas de detección de tensión del gel metálico. En la FIG. 11 datos preliminares muestran que la pérdida de inserción de señales de RF en una línea de microcinta hecha de gel metálico no es significativamente peor que la del cobre a través de al menos 6 GHz. Se ampliará este aprendizaje diseñando estructuras de líneas de transmisión que sean compatibles con el factor de forma estándar de la línea de paracaídas. Para permitir que las señales de RF se transmitan a lo largo de los alambres de detección de tensión de gel metálico, se construirá un sistema como se muestra en la FIG. 14. Esto es similar al diagrama de bloques de la FIG. 3, excepto que se agrega un diplexor para permitir que fluya la corriente DC y el inductor Ld para permitir que se midan Rs1 y Rs2, mientras que el condensador Cd actúa como un bloque de DC y permite que las señales de RF ingresen al circuito desde una fuente de datos de RF como se muestra. El inductor evita que la señal de RF se cortocircuite y, en el extremo más alejado del circuito, la señal de RF sale del circuito a través de los condensadores C1 y C2. Para la transmisión de señales de RF a lo largo de un sistema de interconexión, se desea una impedancia característica controlada. Para controlar la impedancia se propone interconectar evaluar esquemas tales como los mostrados en la FIG. 15A-C. El segundo diseño (B) usa un par de conductores espaciados (3) para crear una interconexión de "conductores gemelos" que tiene una impedancia del orden de 100 a 300 ohmios. La impedancia exacta es una función de las dimensiones del gel metálico, el espaciado de las líneas y la constante dieléctrica del material de encapsulación. El tercer diseño (C) es similar a (B), excepto que se agrega el blindaje (4) externo para permitir valores de impedancia más bajos y reducir la radiación y el EMI. Las estructuras de prueba se simularán y medirán para caracterizar su pérdida de inserción y su impedancia característica frente a la frecuencia. Los resultados de la simulación y el diseño de la línea de transmisión terminada serán el resultado de esta tarea.
Blindaje de EMI
Se fabricará una línea o líneas de transmisión de prueba de concepto en las que una línea de señal se encamisará en una envoltura de caucho impregnado de material conductor para proporcionar blindaje de EMI, como se muestra en la FIG. 15A y C. Se probará la viabilidad de usar poliuretano o silicona cargados con negro de humo, así como una capa de blindaje de gel metálico colocada sobre un recubrimiento de encapsulación aislante y una capa interna de gel de detección/transmisión. Las simulaciones se realizarán utilizando un simulador electromagnético 3D tal como ANSYS HFSS para modelar el comportamiento. Los datos de las simulaciones y las líneas de prototipos serán el resultado de esta tarea.
Diseño de sistema integrado
Se diseñará y construirá un prototipo de sistema integrado para leer los valores de resistencia variable y convertirlos en porcentajes de tensión que se pueden enviar a través de SPI o 12C para su procesamiento en otro lugar. Un puente de Wheatstone diseñado para producir voltaje variable que varía desde 250 mV a 2.500 mV se integrará en una placa con un ADC de 12 bits, un microcontrolador de baja potencia y una fuente de alimentación. El diseño y la construcción de una placa de prototipo no implican ciencia desconocida o ingeniería novedosa y debería tomar aproximadamente dos meses, dependiendo del tiempo de entrega con un contratista de ensamblaje. Se espera que la programación del sistema integrado tarde un mes más. Los valores de voltaje sin procesar del puente de Wheatstone leídos a través del ADC deberán convertirse a porcentajes de tensión con base en los experimentos realizados en la Tarea 3 que habrán proporcionado el GF apropiado. Un desafío menos seguro será el diseño del empaquetado para conectar de manera robusta los conductores de gel metálico con contactos en la placa. La línea conductora que corre a lo largo del cordón del paracaídas deberá estar en contacto con un metal sólido de tal manera que el trazo de gel metálico permanezca sellado herméticamente para evitar el desplazamiento o la contaminación del gel metálico. Se cree que el método de empaquetado más probable para tener éxito será empalmar alambres de latón en las líneas de transmisión de resistencia variable en su terminal, sellar la unión con un agente de encapsulado y luego soldar los alambres en los terminales de la PCB. Al usar alambres de longitud suficiente para tener algo de holgura y coserlos en una tela ripstop en el extremo de la línea de suspensión del paracaídas, se cree que se puede limitar suficiente tensión desde la unión para permitirle operar a través de múltiples despliegues. El sistema terminado se puede validar montando la línea de paracaídas en el Instron 3364 e imponiendo tensiones precisas y conocidas sobre la línea mientras se leen los datos del sistema integrado. El resultado de esta tarea será un prototipo terminado de una línea de suspensión de paracaídas con sensor de tensión habilitado con gel metálico conectado a un sistema integrado que puede generar datos en forma de porcentaje de tensión sobre líneas de datos SPI o 12C.
Prototipos y pruebas de blindaje de EMI
Se probarán físicamente las líneas prototipo que consisten en una capa de blindaje de gel metálico o elastómero impregnado con negro de humo y de gel de detección/transmisión para crear un cable coaxial o línea bifilar blindada, como se muestra en la FIG. 15A y C respectivamente, s. Ambos sistemas se probarán como líneas de transmisión y sus emisiones radiadas se probarán utilizando la cámara anecoica.
Claims (12)
1. Una composición de gel conductora de adelgazamiento por cizallamiento, que comprende:
una mezcla a granel de aleación eutéctica de galio y óxido de galio, en la que las láminas de óxido de galio se distribuyen como microestructuras entrelazadas dentro de la mayor parte de la aleación de galio, y
en la que la mezcla a granel de aleación de galio eutéctico y óxido de galio tiene un porcentaje en peso, % en peso, de entre 59,9 % y 99,9 % de aleación de galio eutéctico.
2. La composición de gel conductora de adelgazamiento por cizallamiento de la reivindicación 1, que comprende además una o más micropartículas o partículas de escala submicrométrica dispersas dentro de la mezcla, donde las micropartículas o partículas de escala submicrométrica tienen un % en peso de entre 0,001 % y 40,0 % de micropartículas o partículas de escala submicrométrica en la composición.
3. La composición de gel conductora de adelgazamiento por cizallamiento de la reivindicación 1, en la que la mezcla a granel de aleación de galio eutéctica y óxido de galio tiene un porcentaje en peso, % en peso, de entre 0,1 % y aproximadamente 2,0 % de óxido de galio.
4. La composición de gel conductora de adelgazamiento por cizallamiento de la reivindicación 3, en la que la mezcla a granel de aleación eutéctica de galio y óxido de galio tiene un % en peso de entre 0,7 % y 2,0 % de óxido de galio.
5. La composición de gel conductora de adelgazamiento por cizallamiento de la reivindicación 4, en la que la mezcla a granel de aleación de galio eutéctica y óxido de galio tiene un % en peso de entre 0,8 % y 0,9 % de óxido de galio.
6. La composición de gel conductora de adelgazamiento por cizallamiento de la reivindicación 5, en la que la mezcla a granel de aleación de galio eutéctica y óxido de galio tiene un % en peso de óxido de galio al 0,84 %.
7. La composición de gel conductora de adelgazamiento por cizallamiento de la reivindicación 1, que comprende micro y nanoestructuras de forma irregular compuestas de óxido de galio a través de la mayor parte de un fluido de aleación de galio.
8. La composición de gel conductora de adelgazamiento por cizallamiento de la reivindicación 1, en la que la aleación de galio eutéctica comprende una aleación de galio-indio, el porcentaje de galio en peso en la aleación de galio-indio está entre 40 % y t 95 %, y el porcentaje de indio en peso en la aleación de galio-indio está entre el 5 % y el 60 %.
9. La composición de gel conductora de adelgazamiento por cizallamiento de la reivindicación 1, en la que la composición tiene las propiedades de un plástico de Bingham.
10. Un método para preparar una composición de gel conductora de adelgazamiento por cizallamiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, que comprende:
mezclar los óxidos de galio de la superficie formados en una superficie de un fluido de aleación de galio en la mayor parte del fluido de aleación de galio mediante sonicación u otros medios mecánicos, tales como mezcla, preferiblemente mezcla por cizallamiento, de la superficie de contacto óxido / aleación; y
inducir una microestructura entrecruzada en los óxidos superficiales; formando así una composición de gel conductora de adelgazamiento por cizallamiento;
en el que la composición de gel conductora de adelgazamiento por cizallamiento comprende una mezcla de una aleación de galio eutéctica y óxido de galio, y en el que la mezcla de aleación de galio eutéctica y óxido de galio tiene un porcentaje en peso, % en peso, de entre 59,9 % y 99,9 % de aleación de galio eutéctico, y un % en peso de entre 0,1 % y 2,0 % de óxido de galio.
11. El método de la reivindicación 10, en el que los óxidos de galio de la superficie se mezclan con la mayor parte del fluido de aleación de galio mediante mezcla por cizallamiento.
12. El método de la reivindicación 10, en el que los óxidos de galio de la superficie se mezclan con la mayor parte del fluido de aleación de galio mediante sonicación.
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