近日，上海交通大学材料科学与工程学院邓涛教授和尚文副研究员课题组，联合美国北卡罗来纳州立大学Michael D. Dickey教授课题组和A123系统研发中心的王浚博士，在柔性封装材料与技术领域取得重要进展。该团队基于液态金属制造了一种柔性封装材料，能够防止气体与液体渗透，保障可拉伸电池、可拉伸传热系统等柔性器件的长期稳定运行，相关研究结果发表于Science。
论文截图 | 参考文献[1]
传统的刚性电子设备为了隔绝水和氧气等反应性物质，确保器件的长期稳定性，通常会包裹在包装材料中。如今，可变形电子产品的需求日益增加，然而传统封装材料无法兼顾可拉伸和高气密性，使得该领域发展受限。
“长期以来，我们一直在弹性和气密性之间进行权衡。现在终于迈出了重要的一步。”该论文的共同通讯作者Michael Dickey教授说，“无机或金属等具有良好气密性的材料，往往是不可拉伸的，可拉伸性能较好的弹性体却难以阻止气体的渗透。本研究中，我们开发了一种既能提供所需弹性，又能防止气体渗透的材料。”
我们日常生活中随处可见的薯片袋、易拉罐，所使用的铝和钢等金属都是出色的渗透屏障，然而金属通常是刚性的。液态金属，尤其是镓及其合金，是最近引起研究界日益关注的例外。液态金属同时具备金属的导电性和流体的变形性，使它们适用于可拉伸、柔性电子设备，也可用作热界面材料。同时，液态金属还具有与普通金属相似的密封性，以及远低于普通弹性体的杨氏模量（图1）。这种高弹性和高密封性的组合，使液态金属成为柔性密封材料的理想选择。
图1 金属、弹性体和液态金属的可拉伸和密封性能示意图。金属通常具有刚性（高杨氏模量）和高密封性；弹性体具有弹性（低杨氏模量）和低密封性；液态金属表现出流动性（有效零杨氏模量）和与其他金属一样良好的密封性 | 参考文献[1]
论文中提出的新技术，就利用了室温下呈液态的镓铟共晶合金（EGaIn）。如图2所示，研究人员将一层EGaIn薄膜填充到两片弹性聚二甲基硅氧烷（PDMS）片中，得到一个内衬液态金属的密封“弹性护套”。PDMS片内表面镶嵌微米玻璃球阵列作为支撑体，避免变形塌陷导致密封性能衰减。
图2集成到可拉伸锂离子电池中的液态金属基密封件的分解示意图 |参考文献[1]
为测试该新型封装材料，研究人员设定了评估标准，其一是该材料允许多少液体蒸发，其二是它允许多少氧气泄漏。“我们发现，这种新材料所封装的容器，没有可测得的液体或氧气损失。”共同通讯作者、上海交通大学教授邓涛说。
谈及此种新材料的成本问题，邓涛教授表示：“液态金属本身相当昂贵。然而，我们乐观地认为该技术还能继续优化——例如进一步减小EGaIn薄膜的厚度以降低成本。目前单个‘弹性护套’的成本为几美元。”
凭借高密封性和软机械性能，EGaIn为兼顾可拉伸性和气密性的柔型封装材料开辟了新设计空间，有助于在各种领域实现应用，包括柔性电子系统、可穿戴系统、能源生产存储系统、传热系统、传感系统和生物医学系统等等。
在本论文中，研究人员还介绍了这种新型封装材料在可拉伸相变传热装置方面的应用。此外，如果在组件中加入玻璃窗传输电磁波，液体金属对无线通信的屏蔽问题也能得到解决。
Dickey教授表示：“我们也在寻找行业合作伙伴来探索这项工作的潜在应用。除了用于软电子产品的柔性电池，其他液体或氧气敏感的设备也将从这项技术中获益。”
参考文献
[1] Shen, Q., Deng, T., Shang, W.; Dickey, M. D.; Wang, J. et al. "Liquid metal-based soft, hermetic, and wireless-communicable seals for stretchable systems." Science 379.6631 (2023): 488-493.
[2] https://www.eurekalert.org/news-releases/978275
编译：竹子
编辑：靳小明
排版：尹宁流
题图来源：参考文献[1]
论文信息
发布期刊Science
发布时间2023年2月2日
论文标题Liquid metal-based soft, hermetic, and wireless-communicable seals for stretchable systems
(DOI：https://doi.org/10.1126/science.ade7341）
研究团队
（共同）通讯作者上海交通大学材料科学与工程学院，邓涛教授、尚文副研究员；美国北卡罗来纳州立大学化学与生物分子工程系，Michael D. Dickey教授；A123系统研发中心，王浚
课题组主页https://wanbin.sjtu.edu.cn
（共同）第一作者上海交通大学材料科学与工程学院，申清臣、蒋墨迪、王锐桐、宋柯贤；美国北卡罗来纳州立大学化学与生物分子工程系，Man Hou Vong