一种具备先进热管理性能的柔性透气材料新体系

研究背景

柔性/可拉伸设备由于其在各个领域的潜在应用，如传感器、发光二极管(LED)、能量收集和存储设备、光电探测器、人机界面，已经获得越来越多的关注。特别是，随着物联网(loT)和人工智能 (AI)的蓬发展，可穿电子设备已经逐渐渗透到我们的日常生活中，因为它们在人类健康监测、人类感官检测和运动辅助方面的潜在应用。为了在这类设备的机械变形下实现理想的功能，电子元件必须与聚合物集成，方法是将纳米材料直接嵌入聚合物基体，和/或将活性材料转移到弹性基材的表面。除了出色的电气和机械性能外，其他重要的特征，如对空气、汗水蒸汽甚至液体的出色渗透性，也是理想的可穿戴电子设备非常需要的，以避免在长期佩戴过程中出现严重的不适，甚至皮肤刺激。

电纺是一种通用技术，用于制造具有各种突出特性的纳米/微纤维，如大表面积、高长径比、灵活的表面功能和可调整的表面形态。多孔电纺纤维膜被证明可以作为具有良好渗透性的柔性设备的基底和/或矩阵。由于多孔结构，电纺纤维垫通常具有低导热性，并被用作热绝缘体。在众多可电纺的聚合物中，热塑性聚氨醋(TPU) 因其生物相容性、疏水性和高抗撕裂性和氧化性而引起研究人员的注意。特别是，TPU 的高弹性、灵活性和韧性使其成为柔性/可拉伸设备的宝贵基材和包装。

另一方面，随着下一代电子设备的快速增长，这些设备的密集集成、小型化和大功率密度导致其成分中的废热严重积聚，因此先进的热管理已成为确保安全运行的关键。一般来说，晶体材料，如金属、碳基材料(石墨烯、碳纳米管(CNTS))和陶瓷具有高热导率(k)。然而，僵硬的性质阻碍了柔性电子的进一步应用。聚合物具有易加工、轻质、高可变形性和低制造成本等优点，已被广泛用于电子设备和集成电路封装，但它们总是具有较低的内在热导率(低于~0.5 Wm-1K-1)，这限制了在热耗散领域的应用。为了克服这一障碍，通常采用由绝缘聚合物基体和高导热无机填料组成的纳米复合材料，通过整合聚合物的机械稳定性和无机填料的高导热性。

研究成果

小型化和高功率密度的可穿戴电子设备要求器件具有先进的热管理能力、出色的灵活性和卓越的渗透性。然而，由于高导热性和渗透性以及灵活性之间的冲突，很难同时实现这些目标。在此，青岛大学孙彬教授等人报告了一种方法，通过将具有高导热性的氮化硼纳米片(BNNSs)层涂覆在图案化的电纺热塑性聚氨酷(TPU)纤维垫的网格上制造出具有先进热管理能力的灵活透气的复合材料。该复合材料表现出明显的导热性，同时保留了本能的透气性。当该复合材料被集成到柔性设备中时，与纯 Ecoflex包装相比，其饱和工作温度明显下降。此外，在超过2000次的弯曲释放过程中，表面温度波动小于0.5℃。最后，提出了一个制造具有先进热管理能力的可穿戴电子设备的原型。相关研究以“A new route to fabricate flexible, breathable composites with advanced thermal management capability for wearable electronics”为题发表在npj Flexible Electronics期刊上。

图文导读

Fig. 1 Basic characterization.

Fig. 2 Breathability of the composite film.

Fig. 3 Thermal properties of the samples.

Fig. 4 Thermal management capability for flexible electronics.

总结与展望

总之，作者提供了一个简单的途径来制造一种既具有增强的热管理能力和显著的灵活性，同时又保持了良好的渗透性的复合材料。它是通过将Ecoflex-BNNSs 层沉积在图案化电纺TPU纤维膜的网格上实现的。与纯图案化纤维结构相比，除了导热性能大幅提高 4442%外，透气性能的下降幅度也很小。当应用于可穿戴电子设备时，与纯 Ecoflex 包装相比，样品的饱和工作温度急剧下降。即使在超过 2000 次的连续弯曲-释放过程中，表面温度的波动也在0.5℃以内，这表明了复合材料的热稳定性。最后，由于电纺技术的优点，提出了一个制备具有理想结构和先进热管理能力的可穿戴电子设备的原型。相信该结果为下一代可穿戴设备的制造提供了启示。

文献链接

A new route to fabricate flexible, breathable composites with advanced thermal management capability for wearable electronics

npj Flexible Electronics (2023) 7:24 ; https://doi.org/10.1038/s41528-023-00257-0

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