受“炸牛奶”启发制备了高导热LM@BN/PDMS复合材料

来源 | Composites Science and Technology

01

背景介绍

全球可穿戴电子产品市场增长迅速，成为智能设备发展最快的领域。微电子、机器人、可拉伸传感器、生物医学器件、储能仪器等方面的突破使得越来越多的大功率电子器件集成到柔性系统中，这使得柔性电子器件的散热问题越来越突出。共晶镓铟合金(EGaIn)和镓铟锡合金(Galinstan)是两种重要的镓基液态金属(LM)合金，具有高导电性、高导热性和低毒性，是下一代软功能材料和可拉伸电子产品中最有前途的两种候选材料。

LM-弹性体复合材料的形成可以通过建立微通道或骨架结构来将LM连续相填充到聚合物中，也可以通过将LM颗粒填充到弹性体中来获得LM嵌入弹性体(LMEE)。然而，在实际应用中，这些材料仍然需要用外部聚合物封装，以防止LM泄漏。与具有连续相结构的LM复合材料相比，LMEE中的LM颗粒可以与基体同步变形，因此同时具有柔韧性和可拉伸性的导热性，从而适用于高柔韧性和可拉伸性的体系。

LMEEs的粒径和负载性是影响其性能的重要因素。粒度方面，可分为LM微米尺度颗粒(LMMPs)和LM纳米尺度颗粒(LMNPs)。由于LMNP的高比表面积，当与弹性体混合时，LM -弹性体复合材料的粘度会显著增加，导致LMNP基LMEE的填充含量一般限制在20 vol%。这一限制不会影响其在柔性传感器和电线制备中的应用，但会对材料的导热性施加限制。基于LMMP的LMEE可以实现更高的填充含量，但同时也会造成材料的不稳定性。

而无机材料与LMs的结合可以改变LMs的流变性能，从而得到性能稳定的杂化填料。但对于比表面积较大的二维材料，如BNNSs(氮化硼纳米片)，容易形成不稳定的粉-液共存结构，这种方法存在局限性。硫醇可以与金属形成配位键，在LMMPs表面形成自组装单分子(SAM)层，可以有效提高LM颗粒的分散性能和稳定性。但仅适用于LM含量低的导电LMEE材料。对于LM含量高的导热LMEE，目前还没有有效的LM泄漏解决方案。

02

成果掠影

近期，北京化工大学卢咏来教授课题组和北京林业大学李京超老师团队受著名小吃“炸牛奶”的启发开发了一种有效的LM泄漏解决方案。受中国传统小吃“炸牛奶”的启发，该团队将微米级的LM颗粒包埋在氮化硼(BN)中，制备LM@BN核壳颗粒。然后，将颗粒与硅弹性体混合，将填料填充到PDMS基体中，得到LM@BN/PDMS复合材料。核壳结构可以防止LM泄漏，确保LM@BN/PDMS复合材料即使在70psi压力下也能稳定运行。该复合材料可以在较宽的温度范围和一定的压力下保持稳定的性能。LM@BN/ PDMS复合材料具有LM的拉伸性和导热性，以及无机材料的稳定性和电绝缘性。LM@BN核壳结构不仅提高了复合材料的导热性，而且使复合材料在较宽的温度范围内表现出稳定的介电响应。更重要的是，LM@BN/PDMS可以在高压和高温条件下保持稳定的性能，这将显著提高LMMEs在实际复杂工况下的性能，从而大大扩展其在可穿戴计算和软机器人等领域的应用。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”为题发表于《Composites Science and Technology》。

03

图文导读

图1.(a)六方氮化硼(h-BN)制备的巯基氮化硼(BN-S)结构示意图;(b) LM@BN核壳微粒和LM@BN/PDMS复合材料的制备示意图。

图2. (a) BN和BN- s的SEM图像;(b) BN和BN- s的FT-IR光谱;(c) BN和BN- s的TGA曲线;(d) BN和BN- s的B原子XPS谱。

图3.(a) LM@BN结构示意图;(b) BN-S和LM@BN中N原子的XPS光谱;(c) BN-S和LM@BN的S原子XPS光谱;(d) (i-ii) LMMP和LM@BN的光学显微镜照片;(iii-iv) LM@BN核壳微粒的扫描电镜照片，(v-vi) Ga和N元素的EDS扫描图。

图4.(a) LM@BN拉伸过程中复合材料的结构重排;(b)复合材料原始状态和编程后的显微组织(i-ii)光学显微镜，(i-ii)扫描电镜;(c)编程后复合材料的导热系数；(d)导热系数与体积分数的关系。

图5

.

复合材料的力学性能及其在热管理中的应用实例

。

图6

.

复合材料的介电性能

。

图7

.

复合材料的抗渗出性能(a)渗出性能测试图;(b)经过一段时间测试后的复合材料表面的照片(i) LM/PDMS，(ii) LM@BN/PDMS;(c) LM@BN对LM渗出的抑制作用及光学显微镜下材料表面相应的微观结构;(d) LM/PDMS和LM@BN/PDMS复合材料在渗出过程中的质量损失。(e)综合比较其他文献中的材料

。

END

★ 平台声明

部分素材源自网络，版权归原作者所有。分享目的仅为行业信息传递与交流，不代表本公众号立场和证实其真实性与否。如有不适，请联系我们及时处理。欢迎参与投稿分享！