浙大团队研发新型复合材料，助力可穿戴电子设备热管理

浙大团队研发新型复合材料，助力可穿戴电子设备热管理

可穿戴柔性电子技术在健康监测、娱乐、物联网及智能机器人等领域存在广阔的应用前景，受到学术界与产业界的广泛关注。当前，可穿戴柔性电子技术前沿研究已迈过功能元器件研究阶段，正朝着研发轻薄、柔软、可拉伸、小型化、高集成度系统的方向发展。在此进程中，由于电路和功能复杂性的提升，可穿戴柔性电子系统的发热量也随之增加。对于高集成度或含有高发热元件的复杂可穿戴柔性电子系统，若仍用低热导率的传统硅橡胶封装材料进行制造，热管理问题将成为未来的重大挑战。同样的，对于利用人体热量进行自供电运行的可穿戴柔性电子系统，传统硅橡胶封装材料的低热导率也会降低热电发电机（TEG）的输出功率。因此，开发替代传统硅橡胶的软弹性、高导热且低机械刚度封装材料，提出可穿戴柔性电子系统热管理方案具有重要意义。

近日，由浙江大学杭州国际科创中心傅棋琪研究员与浙江大学生物医学工程与仪器科学学院刘清君教授团队联合报道了一种兼具软弹性、导热性和电绝缘性的h-BN@EGaIn/Ecoflex复合材料。通过将液态金属EGaIn锚定在六方氮化硼h-BN表面，并可控填充到Ecoflex中，成功抑制了液态金属/高分子复合材料中的液态金属泄露行为，并实现了整体的高绝缘性，从而有效规避了液态金属/高分子复合材料在可穿戴柔性电子封装应用中存在的电路短路风险。在可穿戴照明应用演示中，将h-BN@EGaIn/Ecoflex复合材料与传统硅橡胶材料PDMS进行对比，发现以前者为基底的LED灯珠的稳定工作温度相较于后者大幅降低了20K。在可穿戴TEG应用演示中，采用h-BN@EGaIn/Ecoflex复合材料封装的可穿戴TEG器件比Ecoflex封装的同规格器件输出功率提高了100%。这些结果都清楚地展示了h-BN@EGaIn/Ecoflex复合材料替代传统硅橡胶封装材料的可能性，以及在可穿戴电子封装及热界面材料应用中的优势。

图文导读

图1 A. 可延展h-BN@EGaIn/Ecoflex复合材料。B. h-BN粉末、EGaIn以及h-BN@EGaIn复合物的XRD图谱。C. h-BN@EGaIn复合物的SEM图像。D. EGaIn在h-BN表面粘附机制示意图。E. h-BN/Ecoflex复合材料和h-BN@EGaIn/Ecoflex复合材料横截面的SEM图像。F. h-BN@EGaIn/Ecoflex复合材料横截面的元素面分布图。

图2 A. 具有相同体积分数的不同复合材料的热导率和弹性模量。B. EGaIn浸润对复合材料内部界面热传输的影响。C. 不同填充率的h-BN@EGaIn(2:1)/Ecoflex复合材料（hBEE）的热导率。D. Ecoflex和hBEE(43%)复合材料的热导率比较。E. hBEE复合材料中h-BN@EGaIn (2:1)填料的体积分数与弹性模量、断裂伸长率的关系。F. hBEE(40%)复合材料和EGaIn/Ecoflex(EE，40%)复合材料的挤压结果对比图。G. EE(40%)复合材料、hBEE(40%)复合材料和Ecoflex的击穿强度测试。H. hBEE(40%)复合材料在10000次15%拉伸疲劳下的热导率对比。

图3 A. 6 V、200 mA供电下，3分钟工作期间，以hBEE(40%)复合材料和PDMS为基底的极高功率LED灯珠的红外图像对比。B. LED灯珠相应的工作温度变化曲线。C. 可穿戴照明场景的实际使用演示。D、E.夜间慢跑和骑自行车场景下可穿戴照明照片。

图4 A. TEG器件的经典热阻模型，用于分析所有对ΔTTE有影响的参数。B. 可穿戴TEG(hBEE)示意图。C.可穿戴TEG(hBEE)内部结构及在手背的穿戴演示。D. 可穿戴TEG(hBEE)的爆炸图。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的开路电压与温度差的对比图。G-I. 可穿戴TEG(hBEE)和可穿戴TEG(Ecoflex)的输出性能对比。J、K. 可穿戴TEG(hBEE)与最近报道的先进可穿戴TEG的输出性能对比。