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北京化工大學(xué)張好斌教授 Adv. Mater.：雙相Ga35In65合金構(gòu)筑的寬溫域內(nèi)性能穩(wěn)定的導(dǎo)電復(fù)合材料
2024-01-16  來源：高分子科技

  具有抵御動(dòng)態(tài)變形和溫度變化能力的導(dǎo)電復(fù)合材料在柔性器件、電子皮膚、電路設(shè)備、傳感器以及電磁屏蔽等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。目前，大量的工作集中復(fù)雜動(dòng)態(tài)變形下性能穩(wěn)定聚合物復(fù)合材料的研究。然而，由于聚合物與填料之間的熱力學(xué)行為不匹配，導(dǎo)致復(fù)合材料在受到熱沖擊時(shí)性能劣化下降，制約了聚合物導(dǎo)電復(fù)合材料在航空航天、極地探索等極端溫度條件下的應(yīng)用。


圖1 常規(guī)導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料在溫度變化過程中的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)破壞以及雙相GaIn合金對(duì)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的修復(fù)示意圖。


  基于此，北京化工大學(xué)張好斌教授團(tuán)隊(duì)和都柏林圣三一學(xué)院Valeria Nicolosi教授團(tuán)隊(duì)基于非共晶固/液雙相Ga35In65合金相變時(shí)體積、流動(dòng)性和相結(jié)構(gòu)的演變，在復(fù)合材料中構(gòu)建了溫度自適應(yīng)的導(dǎo)電功能網(wǎng)絡(luò)（圖1）。而且，該團(tuán)隊(duì)首次使用原位micro-CT揭示了復(fù)合材料中雙相Ga35In65合金相態(tài)結(jié)構(gòu)變化對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的修復(fù)作用。具體來說，在低溫環(huán)境中，液態(tài)Ga組分凝固伴隨的體積膨脹有效地抵消了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的破壞；而在高溫環(huán)境中，液態(tài)Ga和融化后的In組分受聚合物基體的擠壓而進(jìn)入脫離的界面及由此產(chǎn)生的縫隙中，從而保持導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性（圖2）。相較于常規(guī)的聚合物導(dǎo)電復(fù)合材料，雙相Ga35In65合金基復(fù)合材料在77-473 K范圍內(nèi)展現(xiàn)出穩(wěn)定的電導(dǎo)率和電磁屏蔽性能（圖2和圖3）。此外，合金的固/液雙相設(shè)計(jì)避免了常規(guī)液態(tài)金屬泄露的難題，相關(guān)復(fù)合材料亦可用于增材制造打印多種復(fù)雜精密的應(yīng)用導(dǎo)向結(jié)構(gòu)（圖3）。同時(shí)，這種方法具有普適性，同樣地適應(yīng)于碳納米管等復(fù)合材料體系。這項(xiàng)工作為用于極端環(huán)境的高性能導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的研制提供了有意義的啟發(fā)。


圖2 (a) 在100-478 K溫度范圍內(nèi)復(fù)合材料的電導(dǎo)率對(duì)比；(b) 溫度變化過程中雙相Ga35In65合金對(duì)修復(fù)GNPs網(wǎng)絡(luò)的作用示意圖；(c, d) 通過原位Micro-CT揭示Ga35In65合金在溫度變化過程中的微結(jié)構(gòu)變化。


圖3 (a, b)電磁屏蔽性能的穩(wěn)定性；(c)無泄漏特性以及用于增材制造打印各種復(fù)雜精密應(yīng)用導(dǎo)向結(jié)構(gòu)(d)。


  相關(guān)工作以“Biphasic GaIn Alloy Constructed Stable Percolation Network in Polymer Composites over Ultrabroad Temperature Region”為題發(fā)表在《Adv. Mater.》上（Adv. Mater. 2024, 2310849）。文章第一作者為北京化工大學(xué)周新峰博士，北京化工大學(xué)張好斌教授和都柏林圣三一學(xué)院Valeria Nicolosi教授為共同通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、北京化工大學(xué)有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金和歐洲研究理事會(huì)的支持。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202310849

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（責(zé)任編輯：xu）
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