江南大学刘禹《AFM》：液态金属/弹性体晶格导体双材料 3D 打印技术，实现高度可拉伸、应变不变的电子器件

具有出色变形能力和导电性的可拉伸导体是电子皮肤、软机器人和电磁干扰（EMI）屏蔽材料等应用的迫切需求。为了满足这些应用的要求，在复杂变形条件下依然具有稳定的导电性和坚固的结构非常有必要，因此在适当的弹性体基质的支持下构建稳定的导电网络对于令人满意的可拉伸导体至关重要。为了实现这一目标，具有优异电性能和大纵横比的导电材料，包括碳纳米管、石墨烯和MXene，通常被选为构建高质量导电网络的候选者。尽管近年来已经取得了重大进展，但这些含有固体填料的导体的电性能不可避免地受到外部变形的困扰从而极大的阻碍了它们的潜在应用。

鉴于此，江南大学机械工程学院刘禹教授课题组通过一种简便且精确控制的一步式双材料3D打印技术，将液态金属（LM）合理地组装成弹性体晶格结构，以构建高导电、可变形和稳定的导电网络。3D互连且可变形的液体导电网络由高度有序且坚固的聚二甲基硅氧烷（PDMS）晶格骨架支撑，使所得的LM/PDMS晶格复合材料具有超过180%的优异拉伸性，高达1.98×106 S m-1电导率以及出色EMI屏蔽效率（72dB）。此外，该复合材料在100%的大拉伸应变下仅显示-2%的负电阻变化，还在0-100%的应变范围内表现出应变不变的EMI屏蔽性能，并在1000次严格的拉伸和释放循环中表现出卓越的稳定性。基于这些优异性能，作者展示了复合材料在柔性显示电路、微波屏蔽层和无线电力传输系统中的有效的EMI屏蔽作用。这项研究开发的制造技术为在聚合物基复合材料中充分利用LM的多功能特性提供了一种可能的策略。相关工作以“Rational Assembly of Liquid Metal/Elastomer Lattice Conductors for High-Performance and Strain-Invariant Stretchable Electronics”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》上。

LM/PDMS晶格复合材料的制备

作者开发了一种双材料3D打印技术，以合理地在PDMS晶格内组装LM液滴。首先准备了包括底层、主晶格结构和侧壁在内的高拉伸性和坚固的PDMS骨架作为基体。随后，将LM（共晶镓铟合金（EGaIn））液滴印刷在PDMS晶格内，并控制印刷速度和挤出率，以确保复合材料中LM的精确重量含量和均匀分布。在顶部用薄的PDMS层密封后，复合材料在烘箱中固化，制成最终的LM/PDMS晶格复合材料（图1）。PDMS晶格提供了一个简单的四方结构，具有精确控制的细丝直径和两个相邻细丝之间的距离。这种工程化的开孔结构提供了中尺度单位单元，可捕获内部的LM液滴并形成3D互连导电网络。通过调整3D打印机的控制程序，成功制作了出五边形、正方形、三角形等各种形状。

图1 LM/PDMS晶格复合材料的制备和性能表征

LM/PDMS晶格复合材料的导电性、拉伸性和耐用性

LM/PDMS晶格复合材料的电导率研究表明，随着LM含量不断增加，在LM含量为50 wt%时，实现了1.98×106 S m-1的高电导率。单轴拉伸性能表明，LM含量范围为5至50 wt%的复合材料具有相似的应力-应变曲线，具有超过180%的大拉伸性（图2）。LM/PDMS晶格复合材料还具有出色的电稳定性。随着拉伸应变的增加，复合材料表现出负电阻变化。在100%的大应变获得了-2%的小电阻变化。复合材料在100%拉伸应变下重复拉伸和释放1000次循环期间电阻变化幅度只有很小的波动并且初始和最终循环的电导率和电阻变化值几乎相同，证明复合材料具有令人满意的耐久性。LM/PDMS晶格复合材料的稳定导电网络通过其在LED电路中的性能得到进一步证实（图3）。在大拉伸应变、弯曲和扭曲下观察到复合材料的恒定LED亮度。

图2复合材料的导电性、拉伸性和耐用性

图3 LED电路中LM/PDMS晶格复合材料的照片

LM/PDMS晶格复合材料有效EMI屏蔽应用

LM/PDMS晶格复合材料的优异性能有望用于有效的EMI屏蔽应用。厚度为3mm 的LM/PDMS晶格复合材料在8.2-12.4 GHz频率范围内作为LM含量的函数表明，在50 wt%的LM含量下屏蔽效率达到72 dB。作者将两个含有等量去离子水的支架放入微波炉中，分别带有和不带有LM/PDMS晶格屏蔽层。在微波加热20秒后，不带有复合材料的去离子水的温度从室温飙升至70 °C以上，而有复合材料屏蔽的去离子水在微波处理过程中保持稳定的温度（30°C）。此外，作者进一步展示了LM/PDMS晶格复合材料在无线电力传输系统中作为EMI屏蔽的概念验证应用。与LM/PDMS晶格尺寸相同的PDMS晶格作为对比。在智能手机和充电器之间添加PDMS晶格对充电性能没有任何影响，而LM/PDMS晶格可以有效地阻止无线电力传输过程。

图4 LM/PDMS晶格复合材料的EMI屏蔽应用

小结：作者提出了一种通过双材料3D打印的LM基复合材料的合理组装技术。高度可拉伸的PDMS晶格用作支撑结构，允许LM在内部形成3D有序和互连的导电网络，这使复合材料展现出高导电性、可拉伸性和电磁干扰屏蔽效率。复合材料还具有应变不变的导电性和EMI屏蔽性能，并在100%的大拉伸应变下提供超过1000次拉伸-释放循环的极其稳定的性能。复合材料在柔性显示电路、微波屏蔽层和无线电力传输系统中应用证明了其高效的EMI屏蔽作用。这项工作为充分利用LM的多功能特性提供了一种有效的方法。

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202108336

来源：高分子科学前沿

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