研究背景
可穿戴柔性電子技術在健康監(jiān)測、娛樂、物聯(lián)網(wǎng)及智能機器人等領域存在廣闊的應用前景，受到學術界與產(chǎn)業(yè)界的廣泛關注。當前，可穿戴柔性電子技術前沿研究已邁過功能元器件研究階段，正朝著研發(fā)輕薄、柔軟、可拉伸、小型化、高集成度系統(tǒng)的方向發(fā)展。在此進程中，由于電路和功能復雜性的提升，可穿戴柔性電子系統(tǒng)的發(fā)熱量也隨之增加。對于高集成度或含有高發(fā)熱元件的復雜可穿戴柔性電子系統(tǒng)，若仍用低熱導率的傳統(tǒng)硅橡膠封裝材料進行制造，熱管理問題將成為未來的重大挑戰(zhàn)。同樣的，對于利用人體熱量進行自供電運行的可穿戴柔性電子系統(tǒng)，傳統(tǒng)硅橡膠封裝材料的低熱導率也會降低熱電發(fā)電機（TEG）的輸出功率。因此，開發(fā)替代傳統(tǒng)硅橡膠的軟彈性、高導熱且低機械剛度封裝材料，提出可穿戴柔性電子系統(tǒng)熱管理方案具有重要意義。
文章概述
近日，由浙江大學杭州國際科創(chuàng)中心傅棋琪研究員與浙江大學生物醫(yī)學工程與儀器科學學院劉清君教授團隊聯(lián)合報道了一種兼具軟彈性、導熱性和電絕緣性的h-BN@EGaIn/Ecoflex復合材料。通過將液態(tài)金屬EGaIn錨定在六方氮化硼h-BN表面，并可控填充到Ecoflex中，成功抑制了液態(tài)金屬/高分子復合材料中的液態(tài)金屬泄露行為，并實現(xiàn)了整體的高絕緣性，從而有效規(guī)避了液態(tài)金屬/高分子復合材料在可穿戴柔性電子封裝應用中存在的電路短路風險。在可穿戴照明應用演示中，將h-BN@EGaIn/Ecoflex復合材料與傳統(tǒng)硅橡膠材料PDMS進行對比，發(fā)現(xiàn)以前者為基底的LED燈珠的穩(wěn)定工作溫度相較于后者大幅降低了20K。在可穿戴TEG應用演示中，采用h-BN@EGaIn/Ecoflex復合材料封裝的可穿戴TEG器件比Ecoflex封裝的同規(guī)格器件輸出功率提高了100%。這些結果都清楚地展示了h-BN@EGaIn/Ecoflex復合材料替代傳統(tǒng)硅橡膠封裝材料的可能性，以及在可穿戴電子封裝及熱界面材料應用中的優(yōu)勢。
圖文導讀
圖1 A. 可延展h-BN@EGaIn/Ecoflex復合材料。B. h-BN粉末、EGaIn以及h-BN@EGaIn復合物的XRD圖譜。C. h-BN@EGaIn復合物的SEM圖像。D. EGaIn在h-BN表面粘附機制示意圖。E. h-BN/Ecoflex復合材料和h-BN@EGaIn/Ecoflex復合材料橫截面的SEM圖像。F. h-BN@EGaIn/Ecoflex復合材料橫截面的元素面分布圖。
圖2 A. 具有相同體積分數(shù)的不同復合材料的熱導率和彈性模量。B. EGaIn浸潤對復合材料內(nèi)部界面熱傳輸?shù)挠绊憽?/span>C. 不同填充率的h-BN@EGaIn(2:1)/Ecoflex復合材料（hBEE）的熱導率。D. Ecoflex和hBEE(43%)復合材料的熱導率比較。E. hBEE復合材料中h-BN@EGaIn (2:1)填料的體積分數(shù)與彈性模量、斷裂伸長率的關系。F. hBEE(40%)復合材料和EGaIn/Ecoflex(EE，40%)復合材料的擠壓結果對比圖。G. EE(40%)復合材料、hBEE(40%)復合材料和Ecoflex的擊穿強度測試。H. hBEE(40%)復合材料在10000次15%拉伸疲勞下的熱導率對比。
圖3 A. 6 V、200 mA供電下，3分鐘工作期間，以hBEE(40%)復合材料和PDMS為基底的極高功率LED燈珠的紅外圖像對比。B. LED燈珠相應的工作溫度變化曲線。C. 可穿戴照明場景的實際使用演示。D、E.夜間慢跑和騎自行車場景下可穿戴照明照片。
圖4 A. TEG器件的經(jīng)典熱阻模型，用于分析所有對ΔTTE有影響的參數(shù)。B. 可穿戴TEG(hBEE)示意圖。C.可穿戴TEG(hBEE)內(nèi)部結構及在手背的穿戴演示。D. 可穿戴TEG(hBEE)的爆炸圖。E. 可穿戴TEG(hBEE)的柔性和可延展性演示。F. 可穿戴TEG(hBEE)、可穿戴TEG (Ecoflex)、理想可穿戴TEG的開路電壓與溫度差的對比圖。G-I. 可穿戴TEG(hBEE)和可穿戴TEG(Ecoflex)的輸出性能對比。J、K. 可穿戴TEG(hBEE)與最近報道的先進可穿戴TEG的輸出性能對比。
期刊簡介
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