來(lái)源|Journal of Materials Science & Technology

01

背景介紹

隨著可穿戴集成設(shè)備的發(fā)展，散熱問(wèn)題逐漸引起人們的廣泛關(guān)注。散熱不及時(shí)、導(dǎo)熱不均勻會(huì)造成設(shè)備效率低下甚至損壞，造成安全隱患。良好的熱管理能力仍然是可穿戴材料面臨的挑戰(zhàn)。同時(shí)，電子元件產(chǎn)生的電磁波會(huì)干擾正常的細(xì)胞行為和設(shè)備工作。因此，具有柔性熱管理和電磁屏蔽材料的超薄功能復(fù)合材料在優(yōu)化可穿戴設(shè)備方面具有很大的前景。

熱管理和電磁屏蔽薄膜已被開(kāi)發(fā)用于各種可穿戴應(yīng)用。傳統(tǒng)的剛性材料，如銅箔和石墨，很難滿足動(dòng)態(tài)和可變的應(yīng)用條件。柔性織物因其良好的透氣性和低廉的施工成本而廣受歡迎。PLLA是一種具有優(yōu)異物理性能的可生物降解、高度生物相容性的聚合物，通過(guò)靜電紡絲法可以實(shí)現(xiàn)高透氣性，并經(jīng)過(guò)一系列處理和反應(yīng)后保持良好的透氣性。通過(guò)將PLLA與金屬納米顆粒結(jié)合，可以保持導(dǎo)電材料的導(dǎo)電性。然而，柔性膜較低的強(qiáng)度限制了其耐久性和功能。

此外，柔性織物的透氣性也是決定設(shè)備舒適性和可用性的關(guān)鍵因素，但金屬?gòu)?fù)合材料很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和高透氣性。傳統(tǒng)的纖維膜增強(qiáng)處理方法包括物理方法和化學(xué)方法。熱壓和熱輥壓等物理方法需要設(shè)備支持，價(jià)格昂貴，并且由于強(qiáng)大的外力會(huì)嚴(yán)重破壞纖維結(jié)構(gòu)，缺乏靈活性。丙酮后處理等化學(xué)途徑只能增強(qiáng)纖維連接，效果有限，導(dǎo)致后續(xù)金屬涂層分層和不一致。

此外，可穿戴設(shè)備的輕薄特性往往會(huì)限制導(dǎo)電材料的熱管理能力。熱積累會(huì)造成薄膜失效，影響可穿戴織物的舒適性;加入電能也會(huì)影響材料的熱工性能。熱傳導(dǎo)和分散往往伴隨著其他材料性能的波動(dòng)，并依賴于外部溫度，這使得可靠的散熱和熱利用非常有限。因此具有效熱管理和高電磁干擾屏蔽性能并且靈活、透氣的超薄金屬-聚合物纖維膜材料的開(kāi)發(fā)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，極大地限制了可穿戴設(shè)備的技術(shù)革命。

02

成果掠影

近期，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)材料學(xué)院李加深團(tuán)隊(duì)和牛津大學(xué)劉澤堃團(tuán)隊(duì)合作設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種具有優(yōu)異電磁屏蔽性能和熱管理能力的柔性透氣復(fù)合薄膜。

團(tuán)隊(duì)首次開(kāi)發(fā)了一種丙酮和熱處理工藝，以無(wú)損和高效地促進(jìn)PLLA纖維的納米結(jié)構(gòu)，從而形成更強(qiáng)的APLLA。通過(guò)聚多巴胺(PDA)的連接，將Cu納米顆粒包裹在APLLA纖維表面。導(dǎo)電膜由許多原纖維組成，每個(gè)原纖維都具有核(APLLA)-殼(Cu)結(jié)構(gòu)。經(jīng)丙酮和熱處理后，膜的密度和強(qiáng)度大大提高，而不破壞纖維結(jié)構(gòu)。在這項(xiàng)工作中，通過(guò)在聚合物襯底上沉積銅顆粒，開(kāi)發(fā)了超薄(15μm)，柔性和多孔的Cu/PLLA纖維膜。采用新的丙酮和熱處理工藝，在保持多孔纖維結(jié)構(gòu)的同時(shí)，膜的強(qiáng)度大大提高。其出色的透氣性和超高的導(dǎo)電性(9471.8130 S/cm)使復(fù)合材料具有快速的電加熱特性和出色的導(dǎo)熱性，從而實(shí)現(xiàn)有效的熱管理。同時(shí)，多孔聚合物襯底結(jié)構(gòu)大大增強(qiáng)了導(dǎo)電物質(zhì)的擴(kuò)散，提高了膜的電磁干擾屏蔽效能。該復(fù)合材料具有高柔韌性、透氣性和強(qiáng)度，并具有熱管理和電磁屏蔽功能，在未來(lái)的便攜式電子設(shè)備和可穿戴集成服裝中顯示出巨大的潛力。

研究成果以“Flexible, breathable, and reinforced ultra-thin Cu/PLLA porous-fibrous membranes for thermal management and electromagnetic interference shielding ”為題發(fā)表于《Journal of Materials Science & Technology》。

03

圖文導(dǎo)讀

圖1.Cu/PLLA的薄膜的制備示意圖。

圖2.納米纖維膜的物理性能和導(dǎo)電性。

圖3.納米纖維膜的熱管理性能。

圖4.納米纖維膜的電磁屏蔽性能及其應(yīng)用。

圖5.(a) PLLA拉伸斷裂截面，(b) APLLA拉伸斷裂截面，(c) Cu/PLLA的拉伸斷口截面和能譜圖，(d) Cu/APLLA的拉伸斷裂截面和能譜圖，(e) Cu/PLLA的結(jié)構(gòu)和電磁屏蔽原理圖，(f) Cu/APLLA的結(jié)構(gòu)和電磁屏蔽原理圖。

END

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審核編輯黃宇