液態(tài)金屬基可拉伸封裝材料的出色性能

柔性可拉伸電子器件是指可通過自身變形而適應(yīng)復(fù)雜外形并實(shí)現(xiàn)傳感、供能、通訊等功能的電子元件，在健康管理、智慧醫(yī)療、人機(jī)交互等領(lǐng)域具有顯著的潛力，備受科學(xué)界和工業(yè)界關(guān)注。通常，電學(xué)活性材料需要被封裝起來以隔絕空氣中水、氧等物質(zhì)的影響，從而使得電子器件具有高穩(wěn)定性和長壽命。對(duì)于柔性可拉伸電子器件，如何選擇合適的材料進(jìn)行封裝仍是一個(gè)重要的挑戰(zhàn)，目前仍缺乏理想的兼具優(yōu)異可拉伸性能和密封性能的封裝材料[1,2]。

具體而言，雖然硅膠彈性體等高分子材料具有高的自由體積和強(qiáng)的分子鏈運(yùn)動(dòng)能力，但這也使得氣體能夠輕易地穿過它們。因此，易于拉伸且楊氏模量較低的材料通常具有較高的氣體滲透率[3,4]。相反，鋁和鋼等金屬材料具有優(yōu)異的隔水隔氧能力，在食品工業(yè)中被廣泛應(yīng)用于封裝和儲(chǔ)藏食品（例如常見的食品罐頭和薯片袋的包裝襯里），但其通常是不可拉伸的。為了對(duì)可拉伸電子器件進(jìn)行封裝，目前常見的方法是將高分子彈性體與金屬材料或無機(jī)非金屬材料等氣體滲透性較低的材料相結(jié)合，但利用這種方法所得的材料通常可拉伸能力有限或者隔水隔氧性能不佳。

近日，上海交通大學(xué)鄧濤-尚文團(tuán)隊(duì)與北卡羅來納州立大學(xué)Michael D. Dickey課題組、A123系統(tǒng)公司研發(fā)中心王浚團(tuán)隊(duì)聯(lián)合報(bào)道了液態(tài)金屬基可拉伸封裝材料。液態(tài)金屬(liquid metal，LM)是指在室溫或者較低的溫度下呈液態(tài)的金屬材料，同時(shí)具有金屬與流體的特點(diǎn)，因此其兼具金屬材料出色的隔水隔氧能力和遠(yuǎn)低于普通彈性體的楊氏模量，從而具有作為可拉伸密封材料的潛力(圖1(a))。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制備了一種由微米玻璃球陣列支撐的液態(tài)金屬柔性密封材料，首次展示了液態(tài)金屬在可拉伸封裝材料方面的出色性能。相關(guān)研究成果發(fā)表于Science[5]。

圖1??液態(tài)金屬的楊氏模量、隔水隔氧性能以及在密封鋰離子電池方面的性能展示[5]. (a) 液態(tài)金屬、高分子彈性體和金屬的機(jī)械性能和密封性能的示意圖；(b) 各種可拉伸材料的楊氏模量與水汽滲透系數(shù)對(duì)照?qǐng)D；(c) 各種可拉伸材料的楊氏模量與氧氣滲透系數(shù)對(duì)照?qǐng)D；具有液態(tài)金屬密封件的鋰離子電池的設(shè)計(jì)示意圖(d)、在24 h觀測期間內(nèi)的質(zhì)量變化(e)、在0.6 mA/cm2電流密度和室溫下的循環(huán)性能(f)

以熔點(diǎn)在室溫附近的鎵銦合金(EGaIn)為例，該工作首先評(píng)估了液態(tài)金屬的氣密性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，EGaIn的水汽滲透系數(shù)和氧氣滲透系數(shù)分別為9.6×10?21和5.0×10?23m2s?1Pa?1，其透水透氧能力比傳統(tǒng)的彈性體封裝材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)分別低了約4和8個(gè)數(shù)量級(jí)。EGaIn的氧氣滲透系數(shù)接近常見的金屬封裝材料鋁，而其水汽滲透系數(shù)則略高于鋁（偏差可能源于儀器檢測能力）(圖1(b), (c))?？偟膩碚f，EGaIn的氣密性遠(yuǎn)優(yōu)于高分子封裝材料，可與傳統(tǒng)金屬材料相媲美。

該工作展示了液態(tài)金屬材料在密封可拉伸鋰離子電池(lithium-ion battery，LIB)、相變傳熱裝置以及無線通訊器件方面的出色性能。研究結(jié)果表明，與只具有PDMS薄片封裝的對(duì)照樣品相比，具有液態(tài)金屬密封的含有水基電解質(zhì)的LIB不但能夠保證在原始狀態(tài)和20%應(yīng)變狀態(tài)下的質(zhì)量不受損失(圖1(d)，(e))，還有利于延長電池在室溫下的循環(huán)壽命。利用EGaIn進(jìn)行封裝的LIB在經(jīng)歷140次循環(huán)后仍然保持約90%的可逆容量，即使經(jīng)歷500次循環(huán)其依然具有約72.5%的可逆容量。作者指出，LIB容量的下降主要是源于充放電循環(huán)過程中不可避免的副反應(yīng)，并不是因?yàn)樵跍y試過程中LIB中的氣體與環(huán)境中的氣體通過液態(tài)金屬密封層產(chǎn)生了交換。相反，沒有利用液態(tài)金屬封裝的樣品則由于水透過PDMS向外滲透和氧向內(nèi)滲透而在經(jīng)歷160次循環(huán)后完全失效(圖1(f))。此外，液態(tài)金屬密封件還可以應(yīng)用于可拉伸相變傳熱裝置中，從而解決了由于非冷凝氣體向內(nèi)滲透和工作流體的氣體向外滲透而導(dǎo)致的傳熱裝置在使用過程中導(dǎo)熱系數(shù)降低的問題。以乙醇為工作介質(zhì)設(shè)計(jì)了可拉伸氣液相變傳熱器件，該裝置被EGaIn封裝后在應(yīng)變和加熱時(shí)也能很好工作。最后，作者還針對(duì)液態(tài)金屬自身具有電磁屏蔽的特性，提出了利用分隔式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可無線通信的柔性封裝系統(tǒng)，從而進(jìn)一步展示了液態(tài)金屬在無線通信系統(tǒng)封裝領(lǐng)域中的應(yīng)用前景。

總之，該工作針對(duì)傳統(tǒng)封裝材料無法兼顧高可拉伸和高密封性的難題，創(chuàng)新性地提出了利用液態(tài)金屬作為可拉伸電子器件封裝材料的思路。一方面，這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)具有高穩(wěn)定性、長壽命的新型柔性可穿戴器件提供了新的思路；另一方面，也啟示了進(jìn)一步結(jié)合液態(tài)金屬的電學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)等特性設(shè)計(jì)新型柔性可穿戴電子器件和系統(tǒng)的可能。
責(zé)任編輯：彭菁