江南大學(xué)AFM：雙材料 3D 打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬/彈性體網(wǎng)格導(dǎo)電復(fù)合材料的有序組裝

來源：高分子科技

電子皮膚、軟體機(jī)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(shí)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(zhǔn)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(jī)械工程學(xué)院劉禹教授團(tuán)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(dá)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“RationalAssembly of Liquid Metal/Elastomer Lattice Conductors for High-Performance andStrain-Invariant Stretchable Electronics”為題，發(fā)表在《AdvancedFunctional Materials》上（Adv. Funct. Mater. 2021, 2108336）。文章的第一作者是江南大學(xué)機(jī)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(dá)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(qiáng)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(jìn)行1000次拉伸循環(huán)，并保持穩(wěn)定的機(jī)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(dá)72dB。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(jìn)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