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陈济桁| 美空军实验室科学家发现独特的可拉伸导体

随着增强现实(AR)、虚拟现实(VR)、工业物联网、智能监测需求的增加,可穿戴设备和机体植入物将会获得更加广泛的应用。而随着应用场景复杂程度的增加,未来人们对于可穿戴设备的要求也越来越高,电子化的织物、软体机器人、可拉伸的电子产品等新兴技术领域,将是下一代可穿戴和植入材料和设备的主要发展和应用方向。与当今基于刚性硅材料技术的电子设备不同,可承受弯曲、折叠、皱起和拉伸的电子功能材料或电子设备,能够适应几乎所有类型的结构形状,并提供独特的功能,这是传统电子功能材料和技术难以实现的。近年来,柔性的电子材料和装置发展迅速,据美空军研究实验室(AFRL),AFRL的研究人员最近开发出了一种全新的液态金属网络系统。该系统可以使得导体在拉伸状态下自主改变结构,同时还能保证原有的导电性能不受影响,更好的响应外部应变。AFRL认为,这种可拉伸导体有望在可穿戴设备中发挥重要作用。

一、项目研发背景——传统导体再拉伸作用后导电性能降低

在常见柔性可穿戴设备的可拉伸部位中,其中的关键组件就是导体,导体就像一条宽敞的“高速公路”,负责快速的传递电信号,实现可穿戴设备的各项功能。目前,为了让这条“高速公路”的通畅运行,已经采取了几种不同的策略进行可穿戴设备的制造,它们通常分为两大类:一种是改变可穿戴设备的结构设计,采取更具可拉伸性的外部结构,例如采用织物结构或弯曲的基材结构;另一种就是利用可拉伸的导体材料,例如聚合物导体等。

但是,大多数导体,如常见的银或铜,都是刚性的,它们在拉伸断裂之前,断裂伸长率不会超过2%。而其他可拉伸的导体,例如聚合物复合材料或导电聚合物,其在拉伸的作用下固有性能改变——导体的电导率降低,电阻增加。这是由于,导体受到拉伸作用时,由于塑性原因导致导体增长,原本宽敞的“高速公路”由于外部原因变成了“狭长、弯曲的小路”,原本可迅速通过的电流不得不放慢速度,同时还要通行更长的距离,即造成我们所看到的导电性能降低,电阻增加。一般来说,设备中出现了这样的情况,需要采取外部措施进行电流补偿,例如,测量设备发生应变时内部的电阻变化,然后再通过实时改变电流的输入和施加的电压等方式,适应和补偿该变化。但这种方式使结构变得复杂,应用场景受限,大大降低了可穿戴设备的应用便捷度。

近年来,液态金属的发展为解决导体拉伸后导电性能降低的问题带来了一种新颖的、有前途的设计策略。基于上述原因,2018年,美空军科研办公室提供基础研究经费,要求AFRL开展可拉伸液态金属导体的研发工作。

二、AFRL开发新型液态金属网络

2019年10月3日,AFRL科学家宣布研发出了一种被称为“聚合液态金属网络”(Poly-LMNs)材料,它采用液态镓合金外覆氧化物的方式制造而成。Poly-LMNs最大的特点是,随着导体在承受拉伸后增长,其电导率会增加。导体在被拉伸至原始长度的700%时,仍可自主“消化”产生的应变,使得拉伸前后的导体测量电阻几乎保持不变,保持原本的导电性能。实现这一功能主要原因是源于材料内部自动组织性的纳米结构,它可自主对应变做出反应。

AFRL开发了聚合液态金属网络,并将其设计成为一种高度可拉伸的导体,可随应变变化自主提高电导率(美空军研究实验室图片)

AFRL该项目的首席研究员克里斯托弗·塔博尔博士表示,这种材料制成的导体对拉伸应变的反应与人们通常见到的导体特性完全相反。在进一步了解其中的主要原因前,研究人员对液态金属系统进行试验,并观测到了与传统金属导体完全相反的响应现象,实验结果出乎意料。

除导电性能,AFRL研究人员还用类似可加热手套形状的可穿戴设备评估了这种材料的热性能。研究人员通过持续手指活动测量装置的热响应,发现手套可在施加恒定电压的情况下保持接近恒定的温度。这与目前的最新的可拉伸加热装置不同——由于应变会导致电阻变化,现有的加热装置仍会造成大量的热能损失。有关液态金属系统的更多的性能特点和材料制造细节,AFRL的柔性材料与工艺团队已通过最新一期《先进材料》期刊中《机械响应聚合液态金属网络》(Mechanoresponsive Polymerized Liquid Metal Networks)一文进行了详细论述。

三、Poly-LMNs的制造和实现原理

使用液态金属作为可拉伸导体可以从根本上改变了传统可拉伸导体电路中最常见的失效现象:在传统的可拉伸电路中,固态导体本身往往会首先发生机械断裂失效,使得整个系统断电失效;与之相反,当使用液态金属代替时,集成导体的外部基材往往是首先发生机械故障的部位,但导体仍能保持正常工作状态,整个系统仍能正常工作。

领导这项工作的克里斯托弗·塔博尔博士表示,Poly-LMNs主要基于以下概念设计:以单个液态金属颗粒为基点,通过化学连接各个基点形成网络,实现导体特性。其制造的过程大致如下:首先将单个镓合金液态金属颗粒封装在合金颗粒表面自然形成的氧化包覆壳体中形成单体单元;然后,以单体单元为基点,通过加入化学配体发生聚合过程,将每个单体单元逐个以化学键的方式连接起来,最终形成包含液态金属、氧化物外壳和聚合物连接的金属聚合物网络。

值得注意的是,如果缺少液态金属表面包覆的氧化物壳体以及能够将氧化物化学结合在一起的配体,液态金属颗粒将无法形成网络,只会保持单个孤立金属颗粒,也就无法提供导电路径。

当外部施加拉伸应力时,机械应变从外部基材传递到整个Poly-LMNs导体上,相互连接的液态金属颗粒承受应力被拉伸,导致外部包覆的壳体撕裂,液态金属溢出,原本稀疏的聚合物网络结构因金属的溢出变成了更加致密金属-聚合物导体,使得发生应变部位的电导率迅速提升。经过测试,Poly-LMNs中的颗粒破裂并释放出液态金属后,电导率迅速增加108倍。这种连接形式保证了整个液态金属系统既具有导电性、又能保持固有的可拉伸性。

聚合液态金属网络的形成和工作原理示意,在金属网络形成和工作的不同阶段对液态金属颗粒进行描述。颗粒为反应性核-壳液态金属粒子,外部氧化物被含丙烯酸酯的磷酸配体官能化(左1),颗粒通过丙烯酸酯的聚合物相连,形成高度交连的聚合物网络(左2)。但拉伸作用时,氧化物包覆壳体破裂,释放出液态金属,形成连续的导电网络(右2),原本松弛状态的液态金属网络结构因应变施加导致液态金属释放而被被压缩形成致密结构(右1)。(美空军研究实验室图片,出自本文正文所述论文)

经过实验测试,Poly-LMNs的电阻从0%~100%应变的1万个循环中保持稳定。更为重要的是,在10000次循环后,导体材料并没有发生机械疲劳失效。

四、应用前景

液态金属在高度可拉伸的电子产品中已具有多年的应用背景,例如来自NC State的Michael Dickey教授开发的嵌入式液态电线,由卡耐基梅隆大学的Carmel Majidi教授课题组开发的液态金属嵌入式弹性体复合材料等。但是,液态金属作为流体存在时,需要利用包覆壳体将其更好的贮存在所需的位置。AFRL的研究人员希望利用液态镓合金表面上自然形成氧化物的独特机械性能来设计和实现,就像Poly-LMNs一样。

利用Poly-LMNs,可使导体在不同的机械条件下仍能保持其电学性能,这在未来在许多场景中都具有应用前景,例如下一代可穿戴电子设备等——导体材料可以集成到长袖服装中,飞行员或操作员将不需要佩戴其他厚重的电子设备,仅仅通过衣服即可传递能量,同时弯曲肘部或旋转肩膀等动作也将不会影响能量传递。

AFRL材料与制造研究部化学家、论文的主要作者卡尔·特拉斯纳上尉表示,聚合液态金属网络的发现非常适用于可伸缩的功率传输、传感和电路。通过应用这项技术,人机接口系统有望实现连续运行、减轻重量并提供更多能量。

美空军科学家开发的液态金属将自主应对结构的变化,在可穿戴设备、工业AR等领域具有广泛应用前景(美国雷神公司图片)

目前AFRL的研究人员目前正在努力探究封装Poly-LMNs对其性能的影响,以及Poly-LMNs与外部集成基材之间的界面特性。塔博尔博士表示:“对于整个柔性电子学的研究领域而言,集成和连接仍然具有挑战性,将传统的基于硅的刚性高性能电子设备转变为承受多次应变循环的可穿戴纺织品的困难是固有的困难。我们正在探索Poly-LMNs或其他液态金属如何能够连接具有截然不同模量的两种材料”。

AFRL目前正与私营企业和大学合作,探索其进一步发展。企业的深度参与,有望将相关技术优化,并将实验室阶段的研究成果规模扩大,探索应用。企业可能将这类材料集成到衣物或纺织品中,以实现人体机能监测和人效增强。AFRL的目标是在短期内将Poly-LMNs在可穿戴电子产品中应用。(作者:中国航空工业发展研究中心  陈济桁)



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