IEC 62899-202-42021 印刷电子.第202-4部分材料.导电油墨.可拉伸印刷层（导电和绝缘）性能的测量方法标准立项发展报告

印刷电子第202-4部分：材料导电油墨可拉伸印刷层（导电和绝缘）性能的测量方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:PrintedElectronics-Part202-4:Materials-ConductiveInk-MeasurementMethodsforPropertiesofStretchablePrintedLayers(ConductiveandInsulating)摘要关键词：印刷电子；导电油墨；可拉伸印刷层；测量方法；IEC62899；标准化Keywords:PrintedElectronics;ConductiveInk;StretchablePrintedLayers;MeasurementMethods;IEC62899;Standardization一、引言1.1研究背景印刷电子技术作为一种新兴的增材制造技术，通过喷墨印刷、丝网印刷、凹版印刷等工艺手段，将功能性油墨沉积于各种基材表面，从而制备电子器件和系统。与传统的硅基微电子制造技术相比，印刷电子具有工艺简单、成本低廉、柔性化程度高、可大面积制备等显著优势，在柔性显示器、有机太阳能电池、射频识别标签、智能包装、可穿戴健康监测设备等领域展现出广阔的应用前景。近年来，随着可拉伸电子器件在人体健康监测、电子皮肤、软体机器人等前沿应用领域的不断突破，对可拉伸导电油墨的需求急剧增长。这类油墨通常以弹性体为基体材料，填充银纳米线、碳纳米管、石墨烯等导电填料，印刷固化后形成的导电层可在拉伸、弯曲、扭曲等形变条件下保持电气导通性能。然而，由于缺乏统一且明确的性能测试方法和评价标准，不同厂商生产的可拉伸导电油墨在性能表征上存在显著差异，导致下游用户难以进行有效的材料选型和质量对比，严重制约了可拉伸印刷电子产品的设计开发与市场推广。1.2标准基本信息本标准IEC62899-202-4:2021由国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission，IEC）发布，属于IEC62899系列标准中"印刷电子"标准体系的重要组成部分。该标准的发布机构为国际电工委员会，分类号为"墨水、油墨"，发布日期为2021年10月22日，标准状态为现行有效，采用英文作为官方语言。从标准编号结构来看，"202"代表印刷电子的材料分标准系列，"4"表示该标准在该系列中的序号。该标准聚焦于可拉伸印刷层（包括导电层和绝缘层）性能的测量方法，旨在为可拉伸印刷电子材料和器件的性能评价建立统一的技术规范。1.3标准制定的必要性与紧迫性可拉伸印刷电子产品的性能受多种因素影响，包括油墨配方、印刷工艺、固化条件、基材选择等。其中，可拉伸导电层的电气性能和机械性能是决定器件可靠性和使用寿命的关键指标。当前行业面临的主要问题包括：第一，测试方法不统一。不同研究机构和企业采用各自设计的拉伸测试装置和评价方法，导致测试结果缺乏可比性。部分企业参考传统柔性电子器件的弯折测试标准，但可拉伸器件的工作模式（拉伸、压缩、扭曲等）与传统弯曲形变存在本质区别，直接套用并不科学。第二，性能指标不明确。对于可拉伸导电层，需要评价其在静态拉伸、动态循环拉伸、高应变速率等不同工况下的电阻变化行为。然而，行业内对"可拉伸性"这一核心指标缺乏统一定义和量化方法，不同产品宣称的"可拉伸率"含义各异。第三，绝缘层性能评价缺失。可拉伸印刷绝缘层在器件中承担着电气隔离和保护功能，其拉伸状态下的绝缘性能衰减直接关系到器件的安全性。但过去的研究多关注导电层的拉伸性能，对绝缘层的拉伸评价方法鲜有涉及。因此，制定一项专门针对可拉伸印刷层性能测量方法的国际标准，对于规范市场秩序、促进技术交流、推动产业健康发展具有十分重要的现实意义。二、标准主要内容与技术解析2.1标准适用范围IEC62899-202-4:2021规定了可拉伸印刷层（包括导电层和绝缘层）性能的测量方法，适用于通过印刷工艺制备在可拉伸基材上的功能性涂层。标准涵盖了导电油墨印刷层和绝缘油墨印刷层在拉伸形变条件下的电气性能和机械性能的测试方法。该标准适用于材料研发阶段的性能评估、生产工艺中的质量控制以及最终产品的性能验证等多个环节。2.2术语与定义标准中对涉及的关键术语进行了明确定义，包括但不限于以下内容：可拉伸性（Stretchability）：材料或器件在承受拉伸形变时保持其功能特性的能力，通常以最大拉伸率（即断裂前可达到的伸长量与原长的百分比）来量化表征。印刷导电层（PrintedConductiveLayer）：通过印刷工艺制备的具有导电功能的薄膜层，其导电机理依赖于导电填料形成的渗流网络。印刷绝缘层（PrintedInsulatingLayer）：通过印刷工艺制备的具有电气绝缘功能的薄膜层，用于防止器件中不同导电部件之间的非预期电气连接。电阻变化率（ResistanceChangeRate）：在施加机械形变前后，导电层电阻值的变化量与初始电阻值的比值，是评价可拉伸导电层电机械性能的核心参数。2.3测试原理与设备要求标准规定的测试方法基于以下基本原理：对印刷在可拉伸基材上的导电或绝缘层施加可控的拉伸形变，同步测量其电气性能的变化。测试过程中的关键参数包括拉伸速率、拉伸幅度、循环次数、环境温湿度等。在设备要求方面，标准明确规定了拉伸测试装置应具备以下性能指标：拉伸速率控制精度不低于±1%，位移分辨率不低于0.01毫米，夹持装置在测试过程中不应引起试样局部应力集中而导致的提前破坏。电气测量设备方面，采用四探针法或开尔文结构消除接触电阻影响，电阻测量精度应不低于±0.5%。同时建议在标准大气条件（温度23°C±2°C，相对湿度50%±10%）下进行测试，以保证测试结果的可比性。2.4可拉伸导电层性能测量方法针对可拉伸印刷导电层，标准规定了以下核心性能指标的测量方法：（1）初始电阻率测量。在未施加形变的自然状态下，测量印刷导电层的方块电阻或体电阻率，作为评价拉伸前后性能变化的基准数据。标准中推荐采用四探针法测量方块电阻，以消除接触电阻和引线电阻的影响。（2）静态拉伸电阻变化测试。将印刷导电层试样固定在拉伸测试装置上，以规定的速率逐步增加拉伸应变，实时记录电阻值随应变的变化曲线。该测试可获得导电层在单调加载下的电阻-应变响应特性，确定其临界拉伸应变（即电阻急剧增大或发生断裂时的应变值）。具体操作步骤如下：首先安装试样并施加约0.1N预张力以消除松弛；随后以5mm/min的恒定速率拉伸，同时以≥10Hz的采样频率记录电阻值；测试持续至试样失效或达到预定最大应变（通常为100%）。（3）循环拉伸疲劳测试。模拟实际应用中的反复形变工况，对导电层施加一定应变幅度下的循环拉伸载荷，记录循环过程中电阻值的变化趋势。该测试方法可评价导电层在动态加载条件下的耐久性和电阻稳定性。测试参数包括循环应变幅度（推荐设定为最大拉伸率的30%、50%和80%三档）、循环频率（0.5Hz-2Hz）、循环次数（可达数千次至数万次），并以循环前后电阻变化率不超过20%作为通过判据的参考值。（4）拉伸传感特性评价。针对具有应变传感功能的导电层，测量其在拉伸过程中的电阻变化灵敏度，通常以应变系数（GaugeFactor，GF）表示，即电相对阻变化与应变的比值。该测量结果为可拉伸应变传感器的设计和性能标定提供了依据。（5）高温高湿加速老化下的拉伸性能测试。将试样置于规定温度（如85°C）和相对湿度（如85%RH）条件下经历一定时间（如24h至500h）的老化后，再按上述方法测量拉伸性能，以评价导电层在恶劣环境下的长期可靠性。2.5可拉伸绝缘层性能测量方法对于可拉伸印刷绝缘层，标准规定的测量方法侧重于评价其在拉伸形变条件下的电气绝缘完整性：（1）拉伸态绝缘电阻测试。在绝缘层处于不同拉伸应变状态下，测量其绝缘电阻值。标准要求绝缘电阻不应低于规定限值（通常为100MΩ），以确保在形变条件下绝缘层仍能有效阻止漏电流。（2）耐压强度测试。在拉伸状态下对绝缘层施加逐渐升高的测试电压，直至发生击穿，记录击穿电压值。该测试用于评价绝缘层在形变状态下的电气安全裕度。（3）拉伸完整性观察。在拉伸过程中通过光学显微镜或扫描电子显微镜观察绝缘层表面是否出现裂纹、剥离、气泡等缺陷，从微观层面分析绝缘性能退化的机理。2.6试样制备与数据处理标准对试样制备提出了明确要求，包括基材类型与厚度、印刷工艺参数、固化条件、试样尺寸（推荐狗骨头形拉伸试样，标距长度20mm±0.5mm、宽度5mm±0.2mm）等。为保证测试结果的统计有效性，标准要求每个测试条件下应至少测试5个平行试样，并给出了异常值剔除的统计学判据和数据处理方法。三、标准制定的组织架构与协作机制3.1国际电工委员会及IEC/TC119技术委员会IEC62899-202-4:2021由国际电工委员会印刷电子技术委员会（IEC/TC119）归口管理。IEC/TC119成立于2011年，专门负责印刷电子领域的国际标准化工作，其工作范围涵盖印刷电子的术语与定义、材料、工艺、设备、测试方法和产品规范等方面。IEC/TC119的秘书处由韩国技术标准署（KATS）承担，委员会主席和秘书分别由来自韩国和日本的标准专家担任。委员会下设多个工作组（WorkingGroup）和项目组（ProjectTeam），分别负责不同方向的标准制定工作。本标准的制定工作由WG3（材料工作组）牵头推进，该工作组重点关注印刷电子用各类材料（包括导电油墨、半导体油墨、绝缘油墨、基材等）的性能要求和测试方法标准化。3.2标准制定历程本标准的制定历经了系统的前期研究和多轮国际协商。2016年，IEC/TC119在韩国釜山召开全体会议，正式通过了该标准的工作组提案，立项编号为IEC62899-202-4，明确界定为"可拉伸印刷层性能测量方法"的技术规范。此后，工作组经过对全球主要研究机构和企业现有测试方法的广泛调研，先后完成标准草案的起草工作，并于2018年形成委员会草案（CD）。经过多轮国际标准草案的讨论和修改，标准草案于2019年提交各国家委员会进行征求意见。在此期间，来自中国、日本、韩国、德国、美国等国家的标准化专家就可拉伸性能的定义、测试条件的选择等技术细节提出了大量建设性意见。经过充分协商和多次修订，标准草案于2020年进入最终国际标准草案（FDIS）投票阶段，最终于2021年10月22日正式发布实施。四、主要参与单位介绍4.1韩国标准技术标准署（KATS）韩国技术标准署（KoreanAgencyforTechnologyandStandards，KATS）作为IEC/TC119的秘书处承担单位，在本标准的制定过程中发挥着核心组织协调作用。KATS是韩国产业通商资源部下属的国家标准机构，负责韩国国家标准的制定与管理，同时代表韩国参与ISO和IEC等国际标准化组织的活动。KATS在印刷电子标准化领域具有深厚的工作积累，其在柔性电子和印刷电子方向的研究力量主要依托韩国电子技术研究院（KETI）和韩国机械研究院（KIMM）等科研机构。在本标准的制定过程中，KATS充分发挥了组织协调作用，牵头组建了由中国、日本、德国、美国、英国、法国等十余个成员国代表参加的标准制定工作组，先后组织了多次国际工作会议和技术研讨会，为各国专家提供了充分的交流平台。KATS主导提出的以"电阻变化率-应变曲线"为核心的可拉伸导电层性能评价方法框架，为标准的最终形成奠定了基础。同时，KATS还协调韩国国内印刷电子领域的龙头企业开展实验室间的循环比对测试，为验证标准草案中规定的测试方法的重复性和再现性提供了关键实验数据支撑。4.2中国参与机构中国作为IEC/TC119的积极成员，在标准制定过程中发挥了重要的技术支撑作用。我国的全国印刷电子标准化技术委员会（SAC/TC591）组织国内相关高校、科研院所和企业深度参与了该标准的制定工作。各参与方在标准制定过程中积极贡献了在可拉伸导电油墨材料研发和测试方法研究方面的技术积累和工程实践经验，为推动标准技术内容的科学性和合理性发挥了建设性作用。五、标准实施的意义与展望5.1对产业发展的促进意义IEC62899-202-4:2021的发布实施对可拉伸印刷电子产业的健康发展具有里程碑式的意义。首先，该标准统一了可拉伸印刷层性能测试的技术语言，为不同材料供应商、器件制造商和终端用户之间建立了一套可互相理解、可对比的性能评价体系。这将有效减少因测试方法不一致导致的商务纠纷，降低产业链各环节的沟通成本。其次，该标准为可拉伸导电油墨的产品质量分级和评价提供了技术依据。油墨供应商可依据标准规定的测试方法对其产品进行系统表征，并在产品数据手册中科学地标注各项性能指标；用户方则可根据具体应用需求，有针对性地选择满足特定拉伸性能要求的油墨产品。再次，该标准的实施将促进可拉伸印刷电子产品在设计阶段的可靠性评估。通过标准化的测试评价，设计人员可在产品开发早期阶段充分了解材料的拉伸性能边界，从而优化器件结构和封装设计，提升产品的长期使用可靠性。5.2标准化工作的未来方向面向未来，可拉伸印刷电子领域的标准化工作仍有诸多方向值得探索。首先，随着可拉伸电子器件不断向复杂化、集成化方向发展，针对完整器件或模组级别的可拉伸性能测试方法亟待制定。其次，对于可拉伸导体在动态应变条件下的长期可靠性和寿命预测方法，需要通过进一步的研究积累形成统一认识。此外，编辑可拉伸电子在医疗健康、航空航天等特殊应用领域的专用测试方法和性能要求，也是未来标准化工作的重要方向。值得关注的是，该标准为静态测试方法，而实际应用中可穿戴设备常伴随频率较高的动态应变。未来标准修订可以考虑引入多频率动态测试方法和与之对应的疲劳寿命评价指标。同时，随着人工智能辅助材料设计方法的兴起，将数据驱动的性能预测方法与标准化测试相结合，有望实现材料性能的高通量评估和加速筛选。5.3结论该标准的发布将为国内外相关企业提供可依据的测试规范，也为科研人员提供了开展可拉伸电