江南大学AFM：双材料 3D 打印技术实现液态金属/弹性体网格导电复合材料的有序组装

来源：高分子科技

电子皮肤、软体机器人和电磁屏蔽（EMI）材料等应用的快速发展，使得具有优异变形性和导电性的可拉伸导体需求日益迫切。对于实际的工程应用需求，可拉伸导体需要在复杂变形条件下具有稳定导电性和结构完整性。因此，探究一种快速、可控、精准的成形方法，以构建柔性、稳定的导电网络对于可拉伸导体的发展至关重要。

近期，江南大学机械工程学院刘禹教授团队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）与弹性体网格结构有序组装为规则的固液两相复合材料，以构建高导电、可变形和稳定的导电网络（如图1）。所制备的LM/PDMS网格复合材料具有超过180%的优异拉伸性能，高达1.98×106 S m-1的导电率和72 dB的卓越电磁屏蔽性能(EMI SE)，并且在大拉伸应变下，也能保证稳定的导电性和良好的EMI SE。该LM/PDMS网格复合材料拓展了其在柔性显示电路和柔性微波能量屏蔽层中的应用，为充分利用LM在其聚合物基复合材料中的多功能特性提供了一种可能的策略。该成果以“RationalAssembly of Liquid Metal/Elastomer Lattice Conductors for High-Performance andStrain-Invariant Stretchable Electronics”为题，发表在《AdvancedFunctional Materials》上（Adv. Funct. Mater. 2021, 2108336）。文章的第一作者是江南大学机械工程学院王震宇副教授，第二作者为研究生夏栩婷，通讯作者为刘禹教授。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

图1.LM/PDMS网格复合材料的制备过程和形貌

LM/PDMS网格复合材料具有优异的导电性、可拉伸性和耐久性（图2）。研究表明，在LM含量为50 wt%时，复合材料的电导率高达1.98×106 S m-1。而稳固的PDMS网格也为复合材料提供了超强的弹性，具有不同LM含量的复合材料均能够在100%应变下进行1000次拉伸循环，并保持稳定的机械性能。LM/PDMS网格复合材料还具有出色的电稳定性（图3）。即使在大应变下，相应的LED电路和柔性屏幕仍然能够表现出极其稳定的性能。这是由于复合材料在受到拉伸时，内部LM填料被稳定支撑在PDMS网格的单元格内，并通过LM液滴的表面张力始终保持三维连通。通过原位观测结果可以发现，LM良好的流动性使得导电网络可恢复且无任何永久性损坏。

图2.LM/PDMS网格复合材料的力学和导电性能

图3.LM/PDMS网格复合材料在柔性电路中的应用及其内部导电网络原位观测

LM/PDMS网格复合材料的优异性能使其有望用于柔性电磁屏蔽材料等领域（图4）。LM含量为50 wt%、厚度为3mm的复合材料EMI SE值高达72dB。研究者将带有和不带有LM/PDMS网格屏蔽层包覆的等量去离子水置入微波炉中，在微波加热20秒后，不带有屏蔽层的去离子水的温度从室温飙升至70 °C以上，而有复合材料屏蔽层的去离子水在微波处理过程中始终保持稳定的温度（30°C以下）。此外，作者进一步展示了LM/PDMS网格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。以上研究成果证明了该种复合材料在医疗和食品加工领域的巨大应用潜力。

图4.LM/PDMS网格复合材料在拉伸应变下的优异电磁屏蔽性能

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202108336