江南大學AFM：雙材料 3D 打印技術(shù)實現(xiàn)液態(tài)金屬/彈性體網(wǎng)格導電復合材料的有序組裝

來源：高分子科技

電子皮膚、軟體機器人和電磁屏蔽（EMI）材料等應用的快速發(fā)展，使得具有優(yōu)異變形性和導電性的可拉伸導體需求日益迫切。對于實際的工程應用需求，可拉伸導體需要在復雜變形條件下具有穩(wěn)定導電性和結(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)定的導電網(wǎng)絡對于可拉伸導體的發(fā)展至關(guān)重要。

近期，江南大學機械工程學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)則的固液兩相復合材料，以構(gòu)建高導電、可變形和穩(wěn)定的導電網(wǎng)絡（如圖1）。所制備的LM/PDMS網(wǎng)格復合材料具有超過180%的優(yōu)異拉伸性能，高達1.98×106 S m-1的導電率和72 dB的卓越電磁屏蔽性能(EMI SE)，并且在大拉伸應變下，也能保證穩(wěn)定的導電性和良好的EMI SE。該LM/PDMS網(wǎng)格復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用，為充分利用LM在其聚合物基復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機械工程學院王震宇副教授，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基金委的支持。

圖1.LM/PDMS網(wǎng)格復合材料的制備過程和形貌

LM/PDMS網(wǎng)格復合材料具有優(yōu)異的導電性、可拉伸性和耐久性（圖2）。研究表明，在LM含量為50 wt%時，復合材料的電導率高達1.98×106 S m-1。而穩(wěn)固的PDMS網(wǎng)格也為復合材料提供了超強的彈性，具有不同LM含量的復合材料均能夠在100%應變下進行1000次拉伸循環(huán)，并保持穩(wěn)定的機械性能。LM/PDMS網(wǎng)格復合材料還具有出色的電穩(wěn)定性（圖3）。即使在大應變下，相應的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電網(wǎng)絡可恢復且無任何永久性損壞。

圖2.LM/PDMS網(wǎng)格復合材料的力學和導電性能

圖3.LM/PDMS網(wǎng)格復合材料在柔性電路中的應用及其內(nèi)部導電網(wǎng)絡原位觀測

LM/PDMS網(wǎng)格復合材料的優(yōu)異性能使其有望用于柔性電磁屏蔽材料等領域（圖4）。LM含量為50 wt%、厚度為3mm的復合材料EMI SE值高達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屏蔽的概念驗證應用。以上研究成果證明了該種復合材料在醫(yī)療和食品加工領域的巨大應用潛力。

圖4.LM/PDMS網(wǎng)格復合材料在拉伸應變下的優(yōu)異電磁屏蔽性能

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202108336