来源 | Advanced Functional Materials

链接 | https://doi.org/10.1109/jeds.2026.3658238

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背景介绍

可拉伸电子设备需同时满足高导热、高拉伸性、电绝缘、防腐蚀，传统导热聚合物复合材料（TCPCs）存在 “高导热与高柔性冲突”，由于聚合物基体的热导率极低，再加上液晶微滴在TCPC中的不连续分散，提高这些复合材料的热导率是具有挑战性的。（如泄漏、腐蚀和电气短路）。纯液态金属（LM）易泄漏、腐蚀金属、引发短路，基于LM的复合材料性能优化中的关键问题是保持高LM比并确保连续的、矩阵内LM-通路构造中的操作安全性。

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成果掠影

近日，横滨国立大学的Hiroki Ota 团队提出一种纳米层封装的可拉伸液态金属片（LM sheet），核心为SBS 纳米片 / Cu-LM/SBS 三层结构（Cu-LM 是镓基液态金属分散铜颗粒形成的双相层）；其面内导热系数达 40.4 W/(m・K)、穿面 16.7 W/(m・K)，断裂伸长率 > 200%，100% 拉伸应变下仍保留 96% 导热性能，且具备自粘附、电绝缘、防腐蚀特性。该材料通过印刷 + 层压工艺制备，成功应用于柔性加热器、可拉伸 LED 及可穿戴设备，有效消除热点、降低工作温度（如 LED 温度降低 32.3℃），突破了传统导热聚合物复合材料在 “高导热 - 高拉伸 - 电绝缘” 间的平衡难题，为下一代可变形及皮肤集成电子系统提供了新型热界面材料解决方案。研究成果以“Nanolayer-Encapsulated Stretchable Liquid-Metal Sheets for Thermal Management” 为题，发表于《Advanced Functional Materials》期刊。

03

图文导读

图1概念、制造、（A）本研究中开发的液态金属（LM）板的分解示意图。（含有分散的Cu颗粒的液体镓-铟-锡（GaInSn））夹在纳米厚的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）之间，这种结构保持LM的高导热性和可变形性，同时抑制其腐蚀性和导电性。（B）在机械拉伸下的LM片，证明了其高拉伸性。（C）具有以YNU形状图案化的电布线的柔性基板的光学和热图像。在施加电流时发生局部加热，由于不均匀的热分布而显示出YNU图案。（D）具有附着在加热区域下方的LM片的同一衬底的红外图像。LM片的存在使得能够增强横向热扩散，导致更均匀的热分布。（E）LM片制造工艺。首先将SBS纳米片置于衬底上，然后使用聚酰亚胺掩模印刷Cu-LM，最后用另一SBS纳米片密封。（F）LM片的横截面扫描电子显微镜图像（SE）和Ga、In、Sn、Cu、Cu-LM层表现出Cu颗粒在GaInSn基质内的均匀分散，证实了由SBS纳米片包封的双相结构的形成（比例尺：100 μm）。

图2 LM片的热性能。（A）双相铜（Cu）-LM结构：Cu粉末分散在镓-铟-锡（GaInSn）LM基质内。（B）Cu-LM液滴在SBS纳米片上的接触角作为Cu粉末质量分数的函数，表明随着Cu粉末含量的增加，润湿性增强。（C）对于不同Cu粉末质量分数测量的LM片材的面内热导率。D）LM片的面内热导率作为三层结构内Cu-LM的体积分数的函数。（E）LM片的面内和穿过面的热导率的理论计算。（F）LM片的面内热导率作为SBS-纳米片厚度的函数，其中Cu-LM层厚度保持恒定。（G）在单轴拉伸应变下LM片的面内热导率，表明即使在100%伸长率下也具有热稳定性。（H）LM片的平面热导率作为SBS-纳米片厚度的函数，在1-100 nm（红色区域）的厚度范围内难以制造均匀的SBS纳米片（I）Cu-LM片/Cu结构的热阻作为LM片厚度的函数。

图3 LM片材的机械、化学和绝缘特性。（A）具有不同SBS纳米片材厚度的LM片材的拉伸测试。（B）施加到皮肤模型Ecoflex和铝（Al）上的LM片材的粘性测试结果，显示出强的初始粘附力。（C）皮肤模型Ecoflex的粘附能测量。粘附能随着SBS-纳米片厚度的减小而增加。（D）粘附到3D打印模具上的LM片的光学和SEM图像，其曲率半径为100，200，400，LM片材沿着弯曲表面紧密贴合。（E）LM片材与具有微尺度形貌的鸟形3D打印模具的保形粘附。（F）在具有Cu-LM和LM片材的Al表面上的耐腐蚀性测试：（i）在放置裸Cu-LM之后立即，（ii）在24小时之后，（iii）在放置LM片材之后立即，和（iv）在24小时之后。裸Cu-LM引起可见腐蚀，（G）放置在LM电极上的LM片的电绝缘性能（点a-b）。高电阻值表示LM片的强绝缘能力（点a-c）。缩写：R，曲率半径。

图4将LM片材应用于柔性和可拉伸器件。（A）具有铜线的柔性加热器的光学和热图像。局部加热沿着图案化导线的形状发生沿着。（B）在其下方放置LM片之后的柔性加热器的光学和热图像。热图像表明减少的热点形成和更均匀的温度分布。（C）沿着（A）和（B）中的白色的温度分布。LM片的存在增强了加热器表面上的面内热扩散。（D）弯曲下的柔性加热器的光学和热图像。没有LM片，热点仍然可见。（E）弯曲下的具有LM片的柔性加热器的光学和热图像（R = 8.5mm）。LM片保持共形接触，消除热点。（F）沿（D）和（E）中白色的温度分布。即使在机械弯曲下也能保持热扩散。（G）用于将LM片施加到可拉伸发光器件（LED）器件的实验装置。（H）在原始状态下具有和不具有LM片的LED温度分布。在没有LM片的情况下，观察到显著的温度增加，而LM片抑制热积聚。（I）50%应变下的LED温度分布。LM片抑制热产生，即使在机械变形下。

图5将LM片材应用于可拉伸和可穿戴电子设备。（A）混合可拉伸可穿戴设备的示意图。该装置包括柔性电路，该柔性电路具有层压到可拉伸LM片上的表面安装LED，形成可变形平台。柔性电路之间的电互连通过LM布线实现。可变形LM片赋予可拉伸性，允许整个系统表现出机械顺应性。（B，C）LM片作为散热器的演示。为了比较散热性能，在相同条件下测试使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）衬底的对照装置（B）和使用LM片的装置（C）。基于PDMS的对照装置在LED位置处表现出热集中（B），而基于LM片的装置表现出有效的侧向热扩散（C）。(D)在基于LM片材的可穿戴设备的操作期间，在LED下方记录的皮肤表面温度曲线。没有LM片材，在LED位置处观察到显著的温度升高。相反，LM片材有效地抑制了温度升高。（E）（i）基于LM片材的可穿戴设备直接粘附在人的前臂上。（ii）在操作期间，即使在运动下，也观察到稳定的LED照明。(F)在LED下方测量的皮肤温度的时间曲线。LM片可实现连续散热，保持热稳定性，在操作期间不会过热。

图6所开发的LM片材和其他导热聚合物复合材料的热导率和断裂伸长率的比较。