哈尔滨工业大学刘宇艳AS：基于液态金属形状记忆聚合物泡沫的电/热协同调节的智能开关

随着柔性电子智能化的快速发展，具有智能调控功能的电子元件，特别是具有可调控导电导热性能的电子元件在柔性电子领域发挥着越来越重要的作用。液态金属（LM）具有良好导电性、导热性、低温流动性和生物相容性，近年来广泛被应用于可调控电热性能复合材料中。但LM弹性体复合材料的可调性能需在持久的外部刺激下实现，使其在实际应用中受到限制。因此在不施加持续外力作用下，实现对复合材料导电导热性能的控制是十分必要的。

近期，哈尔滨工业大学刘宇艳教授课题组报道了一种基于形状记功能协同调控导电导热能力的LM复合材料，通过增强LM和形状记忆聚合物（SMP）之间相互作用的方式，将化学修饰表面的LM液滴复合到形状记忆泡沫骨架上，获得了LM形状记忆聚合物泡沫（LM-SMF），以热刺激调控形变方式实现了对LM导电导热路径的调控。通过加热温度的变化对LM导电导热通路的精细调控，实现了对LM-SMF从绝缘体（~200 MΩ）到导体（~0.8 Ω）电阻的大范围调节，以及导热系数（λ）差值小于0.021 W m⁻¹·K⁻¹的热性能控制。在热刺激形变过程中，同一材料可以表现出可调的电/热性能。基于该材料优异的电和热双重调节性能，LM-SMF可以用作自反馈/警告电/热一体化集成开关，也可用于红外隐身/伪装开关方面。

图1. a) LM液滴及其复合过程示意图；b) LM-SMF形状记忆循环示意图；c) LM在泡沫中形成断路/通路的示意图；d) LM液滴在形变循环过程中连接状态的变化

通过热刺激响应形变调控的方式，LM-SMF在压缩前后表现出了不同的导电导热特性，如图2a所示。通过改变LM的负载量和压缩率，可以实现对LM-SMF电阻（0.8 Ω~200 MΩ）和导热系数（0.108 ~ 0.509 W m⁻¹ K⁻¹）的调控（图2b-g）。同时该材料还具有良好的形状记忆循环特性，为其应用提供了基础。

图2 a) LM-SMF导电导热转变实物图；b) LM-SMF压缩前后电阻随LM质量分数的变化；50wt%LM的LM-SMF c) 电阻随压缩率的变化；d) 电阻的循环稳定性；e) LM-SMF压缩前后导热系数随LM质量分数的变化；50wt%LM的LM-SMF f) λ/λ0随压缩率的变化；g) 加热后LM-SMF表面温度的循环稳定性（加热温度80 ℃）

此外，基于优异的导电导热控制和形状记忆性能，本工作中LM-SMF可作为自反馈/警告电/热一体化集成开关，还可以实现可调谐红外隐身、伪装等功能，可广泛应用于军事、航空航天、可穿戴设备等领域，并满足复杂环境需求。

图3. LM-SMF自反馈电/热一体化集成开关展示

图4. LM-SMF红外信号开关应用展示

论文信息：

Designable Electrical/Thermal Coordinated Dual-Regulation Based on Liquid Metal Shape Memory Polymer Foam for Smart Switch

Ruoxi Zhao, Sibo Kang, Chao Wu, Zhongjun Cheng, Zhimin Xie, Yuyan Liu*, Dongjie Zhang*

Advanced Science

DOI: 10.1002/advs.202205428

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