來源|Journal of Materials Science & Technology

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背景介紹

隨著可穿戴集成設備的發(fā)展，散熱問題逐漸引起人們的廣泛關注。散熱不及時、導熱不均勻會造成設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，電子元件產(chǎn)生的電磁波會干擾正常的細胞行為和設備工作。因此，具有柔性熱管理和電磁屏蔽材料的超薄功能復合材料在優(yōu)化可穿戴設備方面具有很大的前景。

熱管理和電磁屏蔽薄膜已被開發(fā)用于各種可穿戴應用。傳統(tǒng)的剛性材料，如銅箔和石墨，很難滿足動態(tài)和可變的應用條件。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，通過靜電紡絲法可以實現(xiàn)高透氣性，并經(jīng)過一系列處理和反應后保持良好的透氣性。通過將PLLA與金屬納米顆粒結合，可以保持導電材料的導電性。然而，柔性膜較低的強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備舒適性和可用性的關鍵因素，但金屬復合材料很難同時實現(xiàn)高強度和高透氣性。傳統(tǒng)的纖維膜增強處理方法包括物理方法和化學方法。熱壓和熱輥壓等物理方法需要設備支持，價格昂貴，并且由于強大的外力會嚴重破壞纖維結構，缺乏靈活性。丙酮后處理等化學途徑只能增強纖維連接，效果有限，導致后續(xù)金屬涂層分層和不一致。

此外，可穿戴設備的輕薄特性往往會限制導電材料的熱管理能力。熱積累會造成薄膜失效，影響可穿戴織物的舒適性;加入電能也會影響材料的熱工性能。熱傳導和分散往往伴隨著其他材料性能的波動，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發(fā)仍然是一個挑戰(zhàn)，極大地限制了可穿戴設備的技術革命。

02

成果掠影

近期，英國曼徹斯特大學材料學院李加深團隊和牛津大學劉澤堃團隊合作設計開發(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合薄膜。

團隊首次開發(fā)了一種丙酮和熱處理工藝，以無損和高效地促進PLLA纖維的納米結構，從而形成更強的APLLA。通過聚多巴胺(PDA)的連接，將Cu納米顆粒包裹在APLLA纖維表面。導電膜由許多原纖維組成，每個原纖維都具有核(APLLA)-殼(Cu)結構。經(jīng)丙酮和熱處理后，膜的密度和強度大大提高，而不破壞纖維結構。在這項工作中，通過在聚合物襯底上沉積銅顆粒，開發(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，在保持多孔纖維結構的同時，膜的強度大大提高。其出色的透氣性和超高的導電性(9471.8130 S/cm)使復合材料具有快速的電加熱特性和出色的導熱性，從而實現(xiàn)有效的熱管理。同時，多孔聚合物襯底結構大大增強了導電物質(zhì)的擴散，提高了膜的電磁干擾屏蔽效能。該復合材料具有高柔韌性、透氣性和強度，并具有熱管理和電磁屏蔽功能，在未來的便攜式電子設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的結構和電磁屏蔽原理圖，(f) Cu/APLLA的結構和電磁屏蔽原理圖。

END

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審核編輯黃宇