北京化工大学张好斌教授 Adv. Mater.：双相Ga35In65合金构筑的宽温域内性能稳定的导电复合材料

2024-01-16 来源：高分子科技

具有抵御动态变形和温度变化能力的导电复合材料在柔性器件、电子皮肤、电路设备、传感器以及电磁屏蔽等领域展现出广阔的应用前景。目前，大量的工作集中复杂动态变形下性能稳定聚合物复合材料的研究。然而，由于聚合物与填料之间的热力学行为不匹配，导致复合材料在受到热冲击时性能劣化下降，制约了聚合物导电复合材料在航空航天、极地探索等极端温度条件下的应用。

图1 常规导电聚合物复合材料在温度变化过程中的导电网络破坏以及双相GaIn合金对导电网络的修复示意图。

基于此，北京化工大学张好斌教授团队和都柏林圣三一学院Valeria Nicolosi教授团队基于非共晶固/液双相Ga₃₅In₆₅合金相变时体积、流动性和相结构的演变，在复合材料中构建了温度自适应的导电功能网络（图1）。而且，该团队首次使用原位micro-CT揭示了复合材料中双相Ga₃₅In₆₅合金相态结构变化对网络结构的修复作用。具体来说，在低温环境中，液态Ga组分凝固伴随的体积膨胀有效地抵消了导电网络的破坏；而在高温环境中，液态Ga和融化后的In组分受聚合物基体的挤压而进入脱离的界面及由此产生的缝隙中，从而保持导电网络的连续性（图2）。相较于常规的聚合物导电复合材料，双相Ga₃₅In₆₅合金基复合材料在77-473 K范围内展现出稳定的电导率和电磁屏蔽性能（图2和图3）。此外，合金的固/液双相设计避免了常规液态金属泄露的难题，相关复合材料亦可用于增材制造打印多种复杂精密的应用导向结构（图3）。同时，这种方法具有普适性，同样地适应于碳纳米管等复合材料体系。这项工作为用于极端环境的高性能导电聚合物复合材料的研制提供了有意义的启发。

图2 (a) 在100-478 K温度范围内复合材料的电导率对比；(b) 温度变化过程中双相Ga₃₅In₆₅合金对修复GNPs网络的作用示意图；(c, d) 通过原位Micro-CT揭示Ga₃₅In₆₅合金在温度变化过程中的微结构变化。

图3 (a, b)电磁屏蔽性能的稳定性；(c)无泄漏特性以及用于增材制造打印各种复杂精密应用导向结构(d)。

相关工作以“Biphasic GaIn Alloy Constructed Stable Percolation Network in Polymer Composites over Ultrabroad Temperature Region”为题发表在《Adv. Mater.》上（Adv. Mater. 2024, 2310849）。文章第一作者为北京化工大学周新峰博士，北京化工大学张好斌教授和都柏林圣三一学院Valeria Nicolosi教授为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委、北京化工大学有机-无机复合材料国家重点实验室开放基金和欧洲研究理事会的支持。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202310849

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（责任编辑：xu）

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