一种具有优异热管理和电磁屏蔽性的Cu/PLLA柔性薄膜

来源 | Journal of Materials Science & Technology

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背景介绍

随着可穿戴集成设备的发展，散热问题逐渐引起人们的广泛关注。散热不及时、导热不均匀会造成设备效率低下甚至损坏，造成安全隐患。良好的热管理能力仍然是可穿戴材料面临的挑战。同时，电子元件产生的电磁波会干扰正常的细胞行为和设备工作。因此，具有柔性热管理和电磁屏蔽材料的超薄功能复合材料在优化可穿戴设备方面具有很大的前景。

热管理和电磁屏蔽薄膜已被开发用于各种可穿戴应用。传统的刚性材料，如铜箔和石墨，很难满足动态和可变的应用条件。柔性织物因其良好的透气性和低廉的施工成本而广受欢迎。PLLA是一种具有优异物理性能的可生物降解、高度生物相容性的聚合物，通过静电纺丝法可以实现高透气性，并经过一系列处理和反应后保持良好的透气性。通过将PLLA与金属纳米颗粒结合，可以保持导电材料的导电性。然而，柔性膜较低的强度限制了其耐久性和功能。

此外，柔性织物的透气性也是决定设备舒适性和可用性的关键因素，但金属复合材料很难同时实现高强度和高透气性。传统的纤维膜增强处理方法包括物理方法和化学方法。热压和热辊压等物理方法需要设备支持，价格昂贵，并且由于强大的外力会严重破坏纤维结构，缺乏灵活性。丙酮后处理等化学途径只能增强纤维连接，效果有限，导致后续金属涂层分层和不一致。

此外，可穿戴设备的轻薄特性往往会限制导电材料的热管理能力。热积累会造成薄膜失效，影响可穿戴织物的舒适性;加入电能也会影响材料的热工性能。热传导和分散往往伴随着其他材料性能的波动，并依赖于外部温度，这使得可靠的散热和热利用非常有限。因此具有效热管理和高电磁干扰屏蔽性能并且灵活、透气的超薄金属-聚合物纤维膜材料的开发仍然是一个挑战，极大地限制了可穿戴设备的技术革命。

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成果掠影

近期，英国曼彻斯特大学材料学院李加深团队和牛津大学刘泽堃团队合作设计开发了一种具有优异电磁屏蔽性能和热管理能力的柔性透气复合薄膜。团队首次开发了一种丙酮和热处理工艺，以无损和高效地促进PLLA纤维的纳米结构，从而形成更强的APLLA。通过聚多巴胺(PDA)的连接，将Cu纳米颗粒包裹在APLLA纤维表面。导电膜由许多原纤维组成，每个原纤维都具有核(APLLA)-壳(Cu)结构。经丙酮和热处理后，膜的密度和强度大大提高，而不破坏纤维结构。在这项工作中，通过在聚合物衬底上沉积铜颗粒，开发了超薄(15μm)，柔性和多孔的Cu/PLLA纤维膜。采用新的丙酮和热处理工艺，在保持多孔纤维结构的同时，膜的强度大大提高。其出色的透气性和超高的导电性(9471.8130 S/cm)使复合材料具有快速的电加热特性和出色的导热性，从而实现有效的热管理。同时，多孔聚合物衬底结构大大增强了导电物质的扩散，提高了膜的电磁干扰屏蔽效能。该复合材料具有高柔韧性、透气性和强度，并具有热管理和电磁屏蔽功能，在未来的便携式电子设备和可穿戴集成服装中显示出巨大的潜力。研究成果以“Flexible, breathable, and reinforced ultra-thin Cu/PLLA porous-fibrous membranes for thermal management and electromagnetic interference shielding ”为题发表于《Journal of Materials Science & Technology》。

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图文导读

图1.Cu/PLLA的薄膜的制备示意图。

图2.纳米纤维膜的物理性能和导电性。

图3.纳米纤维膜的热管理性能。

图4.纳米纤维膜的电磁屏蔽性能及其应用。

图5.(a) PLLA拉伸断裂截面，(b) APLLA拉伸断裂截面，(c) Cu/PLLA的拉伸断口截面和能谱图，(d) Cu/APLLA的拉伸断裂截面和能谱图，(e) Cu/PLLA的结构和电磁屏蔽原理图，(f) Cu/APLLA的结构和电磁屏蔽原理图。

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