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  近年來(lái)柔性水凝膠在柔性電子、柔性執(zhí)行器和柔性機(jī)器人領(lǐng)域受到了越來(lái)越多的關(guān)注。隨著這些領(lǐng)域?qū)w系功能化的的要求不斷提高，水凝膠與不同材料（軟材料、電子元器件等）之間的協(xié)同工作成為發(fā)展趨勢(shì)。其中水凝膠的熱輸運(yùn)特性會(huì)極大地影響柔性電子、柔性機(jī)器人系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性，以及一些熱致柔性執(zhí)行器的響應(yīng)特性。如圖1，包埋于水凝膠中的電子器件的在短時(shí)間內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生足夠多的熱量，從而引起電路元器件周圍的迅速升溫，進(jìn)而影響器件的性能與壽命。因此對(duì)于柔性水凝膠的熱傳輸特性研究極具意義。

圖1 水凝膠柔性電子器件的散熱性能展示。

  近期，華中科技大學(xué)臧劍鋒教授以及楊諾教授研究團(tuán)隊(duì)以實(shí)驗(yàn)結(jié)合理論的方式首次研究了柔性聚丙烯酰胺（PAAm）水凝膠的熱輸運(yùn)特性，成果發(fā)表在Polymers上。如圖2所示，研究團(tuán)隊(duì)以柔性電子與柔性機(jī)器人中常用的PAAm水凝膠作為研究對(duì)象（圖2(a）(b)）,利用兩種模式的3-Omega的測(cè)試方法（圖2(c)(d)），主要研究了水凝膠在不同交聯(lián)程度、含水量及溫度下熱導(dǎo)率變化規(guī)律。

圖2 研究對(duì)象及測(cè)試方法示意圖。

  如圖3，柔性PAAm水凝膠在該測(cè)試體系下，呈現(xiàn)出了與分子動(dòng)力學(xué)模擬一致的變化規(guī)律，隨著交聯(lián)密度的增加，材料的熱導(dǎo)率先增加后降低，最高可達(dá)到0.51 Wm^?1K^?1。結(jié)合理論分析、平衡溶脹法對(duì)材料內(nèi)部實(shí)際交聯(lián)密度的表征以及材料的內(nèi)在形貌的掃描電子顯微鏡（SEM）表征，研究團(tuán)隊(duì)將該變化趨勢(shì)的內(nèi)在機(jī)理總結(jié)為內(nèi)部導(dǎo)熱通路的增加對(duì)熱傳導(dǎo)的提高和聲子散射的增加對(duì)熱傳導(dǎo)的降低之間的相互競(jìng)爭(zhēng)。此外，研究團(tuán)隊(duì)也發(fā)現(xiàn)，不同含水量的水凝膠也存在著熱輸運(yùn)的差異，含水量從23到88wt%的增加會(huì)帶來(lái)整體熱導(dǎo)率近40%的提高。而對(duì)于不同的溫度（25-40℃），樣品熱導(dǎo)率基本沒(méi)有變化。

圖3 PAAm水凝膠的交聯(lián)效應(yīng)。

  該工作從實(shí)驗(yàn)到理論的角度，為水凝膠熱輸運(yùn)特性的研究提供了切實(shí)可行且具有普適性的研究方法，也對(duì)柔性材料的熱輸運(yùn)研究與水凝膠體系下的柔性電子器件的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，種類豐富的水凝膠家族的熱輸運(yùn)特性的研究仍然大有可為，材料的成鍵方式、高分子鏈的構(gòu)象以及材料的多孔結(jié)構(gòu)等因素對(duì)水凝膠在微納尺度下的傳熱影響也極具研究?jī)r(jià)值。

  該工作的第一作者是唐妮，彭展和郭汝磊。合作者有安盟，陳顯棟，和李小波副教授。工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金以及國(guó)家青年千人項(xiàng)目的支持。

  論文鏈接：http://www.mdpi.com/2073-4360/9/12/688