電子皮膚、軟體機器人和電磁屏蔽(EMI)材料等應(yīng)用的快速發(fā)展,使得具有優(yōu)異變形性和導(dǎo)電性的可拉伸導(dǎo)體需求日益迫切。對于實際的工程應(yīng)用需求,可拉伸導(dǎo)體需要在復(fù)雜變形條件下具有穩(wěn)定導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)完整性。因此,探究一種快速、可控、精準的成形方法,以構(gòu)建柔性、穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)對于可拉伸導(dǎo)體的發(fā)展至關(guān)重要。
近期,江南大學(xué)機械工程學(xué)院劉禹教授團隊通過一種簡便且精確控制的一步式雙材料3D打印技術(shù),將液態(tài)金屬(LM)與彈性體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)有序組裝為規(guī)則的固液兩相復(fù)合材料,以構(gòu)建高導(dǎo)電、可變形和穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)(如圖1)。所制備的LM/PDMS網(wǎng)格復(fù)合材料具有超過180%的優(yōu)異拉伸性能,高達1.98×106 S m-1的導(dǎo)電率和72 dB的卓越電磁屏蔽性能(EMI SE),并且在大拉伸應(yīng)變下,也能保證穩(wěn)定的導(dǎo)電性和良好的EMI SE。該LM/PDMS網(wǎng)格復(fù)合材料拓展了其在柔性顯示電路和柔性微波能量屏蔽層中的應(yīng)用,為充分利用LM在其聚合物基復(fù)合材料中的多功能特性提供了一種可能的策略。該成果以“Rational Assembly of Liquid Metal/Elastomer Lattice Conductors for High-Performance and Strain-Invariant Stretchable Electronics”為題,發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上(Adv. Funct. Mater. 2021, 2108336)。文章的第一作者是江南大學(xué)機械工程學(xué)院王震宇副教授,第二作者為研究生夏栩婷,通訊作者為劉禹教授。該研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持。
圖1. LM/PDMS網(wǎng)格復(fù)合材料的制備過程和形貌
LM/PDMS網(wǎng)格復(fù)合材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、可拉伸性和耐久性(圖2)。研究表明,在LM含量為50 wt%時,復(fù)合材料的電導(dǎo)率高達1.98×106 S m-1。而穩(wěn)固的PDMS網(wǎng)格也為復(fù)合材料提供了超強的彈性,具有不同LM含量的復(fù)合材料均能夠在100%應(yīng)變下進行1000次拉伸循環(huán),并保持穩(wěn)定的機械性能。LM/PDMS網(wǎng)格復(fù)合材料還具有出色的電穩(wěn)定性(圖3)。即使在大應(yīng)變下,相應(yīng)的LED電路和柔性屏幕仍然能夠表現(xiàn)出極其穩(wěn)定的性能。這是由于復(fù)合材料在受到拉伸時,內(nèi)部LM填料被穩(wěn)定支撐在PDMS網(wǎng)格的單元格內(nèi),并通過LM液滴的表面張力始終保持三維連通。通過原位觀測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),LM良好的流動性使得導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)可恢復(fù)且無任何永久性損壞。
圖2. LM/PDMS網(wǎng)格復(fù)合材料的力學(xué)和導(dǎo)電性能
圖3. LM/PDMS網(wǎng)格復(fù)合材料在柔性電路中的應(yīng)用及其內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)原位觀測
LM/PDMS網(wǎng)格復(fù)合材料的優(yōu)異性能使其有望用于柔性電磁屏蔽材料等領(lǐng)域(圖4)。LM含量為50 wt%、厚度為3mm的復(fù)合材料EMI SE值高達72 dB。研究者將帶有和不帶有LM/PDMS網(wǎng)格屏蔽層包覆的等量去離子水置入微波爐中,在微波加熱20秒后,不帶有屏蔽層的去離子水的溫度從室溫飆升至70 °C以上,而有復(fù)合材料屏蔽層的去離子水在微波處理過程中始終保持穩(wěn)定的溫度(30°C以下)。此外,作者進一步展示了LM/PDMS網(wǎng)格格復(fù)合材料在無線電力傳輸系統(tǒng)中作為EMI屏蔽的概念驗證應(yīng)用。以上研究成果證明了該種復(fù)合材料在醫(yī)療和食品加工領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。
圖4. LM/PDMS網(wǎng)格復(fù)合材料在拉伸應(yīng)變下的優(yōu)異電磁屏蔽性能
原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202108336
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