深圳大學周學昌：可回收/焊接/機械耐用/可編程的液態(tài)金屬彈性體復合材料

非金非土非木

2021年5月6日 14:50

【科研摘要】

基于液態(tài)金屬（ LM）的彈性體在從軟機器人技術到柔性電子學的廣泛應用中受到越來越多的關注。然而，特別是具有多功能的基于LM的彈性體的制造，其具有可回收性和瞬時性，同時提供優(yōu)異的機械性能和穩(wěn)定性，仍然是一個挑戰(zhàn)

深圳大學周學昌：可回收/焊接/機械耐用/可編程的液態(tài)金屬彈性體復合材料的圖1

最近，深圳大學周學昌教授團隊報告了一種制造耐用且可回收的多功能LM彈性體復合材料的策略，該復合材料由作為功能性填料的LM液滴和作為聚合物基質的Diels–Alder（DA）鍵交聯聚氨酯（PU）網絡組成。該復合材料顯示出良好的機械性能，并且可以通過所謂的“機械訓練”過程在空間上從電絕緣體調整到導體。受機械力作用的復合材料即使在 100％拉伸應變下的10 000次拉伸-釋放循環(huán)后仍表現出異常穩(wěn)定的電性能。DA鍵交聯的網絡賦予復合材料良好的自我修復性能，3D形狀的（重新）編程的高度自由度和良好的瞬態(tài)性。此外，空間熱和光熱加熱能夠修復/焊接斷路或對復雜形狀進行編程。

深圳大學周學昌：可回收/焊接/機械耐用/可編程的液態(tài)金屬彈性體復合材料的圖2

此外，在高溫下溶解可迅速破壞復合材料，而有價值的LM則可以89％的收率回收。多功能，良好的機械和電氣性能，尤其是瞬態(tài)特性，使這種復合材料成為用于柔性瞬態(tài)電子器件，執(zhí)行器和可穿戴設備的環(huán)保材料。相關論文以題為 Recyclable, weldable, mechanically durable, and programmable liquid metal-elastomer composites 發(fā)表在《 Journal of Materials Chemistry A 》上。

【主圖導讀】

深圳大學周學昌：可回收/焊接/機械耐用/可編程的液態(tài)金屬彈性體復合材料的圖3

圖 1.可回收和可編程的LM-彈性體復合材料的制造。（a）復合材料制造過程的示意圖，彈性體結構的示意圖以及DA鍵的動態(tài)特性。（b和c）松弛（b）和折疊（c）時制成的LM-彈性體復合材料的光學照片，顯示出良好的柔韌性。（d和e）一種代表性復合材料（50 vol％LM）的表面（d）和橫截面（e）的SEM顯微照片。

深圳大學周學昌：可回收/焊接/機械耐用/可編程的液態(tài)金屬彈性體復合材料的圖4

圖 2 （a）復合材料的代表應力與應變曲線隨LM體積百分比的變化而變化。（b和c）抗拉強度和彈性模量（b）和斷裂能（c）作為LM vol％的函數。誤差棒表示至少3次測量的標準偏差。（d）LM彈性體（30 vol％LM）在不同應變下的連續(xù)滯后加載-卸載曲線。（e）復合材料的循環(huán)裝卸曲線（LM的30 vol％，10個循環(huán)）。（f）對應于（e）的每個循環(huán)的耗散能量和歸一化耗散能量。

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圖 3 （a）機械訓練過程的示意圖。（b）數字圖像顯示了通過機械訓練過程將LM-彈性體復合材料（50 vol ％LM）的LM貼片從絕緣體轉變?yōu)閷w的過程。（c和d）復合材料（50 v ol％）的橫截面（c）和表面（d）的SEM顯微照片，施加了50％的應變，經過100次機械訓練后，LM液滴破裂并融合沿著訓練方向（紅色箭頭指示訓練方向）。（e–g）在10（e），30（f）和50（g）的機械訓練循環(huán)后，復合材料橫截面（50 vol％）的SEM顯微照片，顯示了在機械作用期間LM液滴的變形培訓過程。（ h）LM對20 v ol％，30 v ol％，40 v ol％和50 v ol％的復合材料的抵抗力取決于其機械訓練循環(huán)次數。（i）在從0到100％拉伸應變的前5個拉伸-釋放循環(huán)中，機械訓練的復合材料（30 v ol％）的歸一化電阻。（j）在不同的拉伸應變下，經過機械拉伸的復合材料（30 v ol％）的疲勞試驗，其中R0為0.90（50％應變），1.02（100％應變）和1.13Ω mm ^-1 （150％應變）。（k）空間機械訓練復合材料的不同區(qū)域（LM的30 vol％）的電導率。（l）數碼照片，顯示通過選擇性地點亮 LED來進行空間機械訓練的導體的電氣性能。

深圳大學周學昌：可回收/焊接/機械耐用/可編程的液態(tài)金屬彈性體復合材料的圖6

圖 4 （a）是所制造的復合材料的自我修復和編程機制的示意圖。（b）自愈的LM彈性體的歸一化電阻對LM體積％。（c）歸一化電阻對復合材料的自愈循環(huán)（LM的30 vol％）。（d）數碼照片，證明可以將導電復合材料編程為不同的3D形狀，線圈（左）和螺旋（右）。（e）數碼照片顯示了螺旋3D導電復合材料在機械應力下的性能。

深圳大學周學昌：可回收/焊接/機械耐用/可編程的液態(tài)金屬彈性體復合材料的圖7

圖 5 （a）在NIR激光（808 nm，2W）照射下，復合物（30 vol％）的光熱效應。（b1-b5）在光熱效應的幫助下，將制成的導電復合材料焊接成不同的形狀。（c）焊接導體的八個頂點中的兩個頂點的電導率（b4）。（d）通過局部光熱焊接進行切換的LED燈泡。（e）打開LED燈期間電路（d）的I–t曲線。（f）數碼照片顯示了NIR感應將兩個LED燈泡焊接到電路上的過程。

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圖 6 （a）復合材料的熱/溶劑可再加工性的數碼照片。（b）在30個加工循環(huán)的熱處理過程中，復合材料的電阻值（LM的50 vol％）。熱加工后的材料的橫截面（c和d）以及表面（e和f）的SEM顯微照片（LM的體積百分比為50％）。溶劑后處理材料的橫截面（g和h）和表面（i和j）的SEM顯微照片（LM的50 vol％）。