來源 | Composites Science and Technology

01

背景介紹

全球可穿戴電子產品市場增長迅速，成為智能設備發展最快的領域。微電子、機器人、可拉伸傳感器、生物醫學器件、儲能儀器等方面的突破使得越來越多的大功率電子器件集成到柔性系統中，這使得柔性電子器件的散熱問題越來越突出。共晶鎵銦合金(EGaIn)和鎵銦錫合金(Galinstan)是兩種重要的鎵基液態金屬(LM)合金，具有高導電性、高導熱性和低毒性，是下一代軟功能材料和可拉伸電子產品中最有前途的兩種候選材料。

LM-彈性體復合材料的形成可以通過建立微通道或骨架結構來將LM連續相填充到聚合物中，也可以通過將LM顆粒填充到彈性體中來獲得LM嵌入彈性體(LMEE)。然而，在實際應用中，這些材料仍然需要用外部聚合物封裝，以防止LM泄漏。與具有連續相結構的LM復合材料相比，LMEE中的LM顆粒可以與基體同步變形，因此同時具有柔韌性和可拉伸性的導熱性，從而適用于高柔韌性和可拉伸性的體系。

LMEEs的粒徑和負載性是影響其性能的重要因素。粒度方面，可分為LM微米尺度顆粒(LMMPs)和LM納米尺度顆粒(LMNPs)。由于LMNP的高比表面積，當與彈性體混合時，LM -彈性體復合材料的粘度會顯著增加，導致LMNP基LMEE的填充含量一般限制在20 vol%。這一限制不會影響其在柔性傳感器和電線制備中的應用，但會對材料的導熱性施加限制。基于LMMP的LMEE可以實現更高的填充含量，但同時也會造成材料的不穩定性。

而無機材料與LMs的結合可以改變LMs的流變性能，從而得到性能穩定的雜化填料。但對于比表面積較大的二維材料，如BNNSs(氮化硼納米片)，容易形成不穩定的粉-液共存結構，這種方法存在局限性。硫醇可以與金屬形成配位鍵，在LMMPs表面形成自組裝單分子(SAM)層，可以有效提高LM顆粒的分散性能和穩定性。但僅適用于LM含量低的導電LMEE材料。對于LM含量高的導熱LMEE，目前還沒有有效的LM泄漏解決方案。

02

成果掠影

近期，北京化工大學盧詠來教授課題組和北京林業大學李京超老師團隊受著名小吃“炸牛奶”的啟發開發了一種有效的LM泄漏解決方案。受中國傳統小吃“炸牛奶”的啟發，該團隊將微米級的LM顆粒包埋在氮化硼(BN)中，制備LM@BN核殼顆粒。然后，將顆粒與硅彈性體混合，將填料填充到PDMS基體中，得到LM@BN/PDMS復合材料。核殼結構可以防止LM泄漏，確保LM@BN/PDMS復合材料即使在70psi壓力下也能穩定運行。該復合材料可以在較寬的溫度范圍和一定的壓力下保持穩定的性能。LM@BN/ PDMS復合材料具有LM的拉伸性和導熱性，以及無機材料的穩定性和電絕緣性。LM@BN核殼結構不僅提高了復合材料的導熱性，而且使復合材料在較寬的溫度范圍內表現出穩定的介電響應。更重要的是，LM@BN/PDMS可以在高壓和高溫條件下保持穩定的性能，這將顯著提高LMMEs在實際復雜工況下的性能，從而大大擴展其在可穿戴計算和軟機器人等領域的應用。研究成果以“Breadcrumb-inspired construction of liquid metal@BN core-shell microparticles for highly thermal conductive elastomeric composites with excellent flexibility and stability”為題發表于《Composites Science and Technology》。

03

圖文導讀

圖1.(a)六方氮化硼(h-BN)制備的巰基氮化硼(BN-S)結構示意圖;(b) LM@BN核殼微粒和LM@BN/PDMS復合材料的制備示意圖。

圖2. (a) BN和BN- s的SEM圖像;(b) BN和BN- s的FT-IR光譜;(c) BN和BN- s的TGA曲線;(d) BN和BN- s的B原子XPS譜。

圖3.(a) LM@BN結構示意圖;(b) BN-S和LM@BN中N原子的XPS光譜;(c) BN-S和LM@BN的S原子XPS光譜;(d) (i-ii) LMMP和LM@BN的光學顯微鏡照片;(iii-iv) LM@BN核殼微粒的掃描電鏡照片，(v-vi) Ga和N元素的EDS掃描圖。

圖4.(a) LM@BN拉伸過程中復合材料的結構重排;(b)復合材料原始狀態和編程后的顯微組織(i-ii)光學顯微鏡，(i-ii)掃描電鏡;(c)編程后復合材料的導熱系數；(d)導熱系數與體積分數的關系。

圖5

.

復合材料的力學性能及其在熱管理中的應用實例

。

圖6

.

復合材料的介電性能

。

圖7

.

復合材料的抗滲出性能(a)滲出性能測試圖;(b)經過一段時間測試后的復合材料表面的照片(i) LM/PDMS，(ii) LM@BN/PDMS;(c) LM@BN對LM滲出的抑制作用及光學顯微鏡下材料表面相應的微觀結構;(d) LM/PDMS和LM@BN/PDMS復合材料在滲出過程中的質量損失。(e)綜合比較其他文獻中的材料

。

END

★ 平臺聲明

部分素材源自網絡，版權歸原作者所有。分享目的僅為行業信息傳遞與交流，不代表本公眾號立場和證實其真實性與否。如有不適，請聯系我們及時處理。歡迎參與投稿分享！