近日，上海交通大學材料科學與工程學院鄧濤教授和尚文副研究員課題組，聯合美國北卡羅來納州立大學 Michael D. Dickey 教授課題組和 A123 系統研發中心的王浚博士，在柔性封裝材料與技術領域取得重要進展。該團隊基于液态金屬制造了一種柔性封裝材料，能夠防止氣體與液體滲透，保障可拉伸電池、可拉伸傳熱系統等柔性器件的長期穩定運行，相關研究結果發表于 Science。
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傳統的剛性電子設備爲了隔絕水和氧氣等反應性物質，确保器件的長期穩定性，通常會包裹在包裝材料中。如今，可變形電子産品的需求日益增加，然而傳統封裝材料無法兼顧可拉伸和高氣密性，使得該領域發展受限。
" 長期以來，我們一直在彈性和氣密性之間進行權衡。現在終于邁出了重要的一步。" 該論文的共同通訊作者 Michael Dickey 教授說，" 無機或金屬等具有良好氣密性的材料，往往是不可拉伸的，可拉伸性能較好的彈性體卻難以阻止氣體的滲透。本研究中，我們開發了一種既能提供所需彈性，又能防止氣體滲透的材料。"
我們日常生活中随處可見的薯片袋、易拉罐，所使用的鋁和鋼等金屬都是出色的滲透屏障，然而金屬通常是剛性的。液态金屬，尤其是镓及其合金，是最近引起研究界日益關注的例外。液态金屬同時具備金屬的導電性和流體的變形性，使它們适用于可拉伸、柔性電子設備，也可用作熱界面材料。同時，液态金屬還具有與普通金屬相似的密封性，以及遠低于普通彈性體的楊氏模量（圖 1）。這種高彈性和高密封性的組合，使液态金屬成爲柔性密封材料的理想選擇。
圖 1 金屬、彈性體和液态金屬的可拉伸和密封性能示意圖。金屬通常具有剛性（高楊氏模量）和高密封性；彈性體具有彈性（低楊氏模量）和低密封性；液态金屬表現出流動性（有效零楊氏模量）和與其他金屬一樣良好的密封性 | 參考文獻 [ 1 ]
論文中提出的新技術，就利用了室溫下呈液态的镓铟共晶合金（EGaIn）。如圖 2 所示，研究人員将一層 EGaIn 薄膜填充到兩片彈性聚二甲基矽氧烷（PDMS）片中，得到一個内襯液态金屬的密封 " 彈性護套 "。PDMS 片内表面鑲嵌微米玻璃球陣列作爲支撐體，避免變形塌陷導緻密封性能衰減。
圖 2 集成到可拉伸锂離子電池中的液态金屬基密封件的分解示意圖 | 參考文獻 [ 1 ]
爲測試該新型封裝材料，研究人員設定了評估标準，其一是該材料允許多少液體蒸發，其二是它允許多少氧氣洩漏。" 我們發現，這種新材料所封裝的容器，沒有可測得的液體或氧氣損失。" 共同通訊作者、上海交通大學教授鄧濤說。
談及此種新材料的成本問題，鄧濤教授表示：" 液态金屬本身相當昂貴。然而，我們樂觀地認爲該技術還能繼續優化——例如進一步減小 EGaIn 薄膜的厚度以降低成本。目前單個‘彈性護套’的成本爲幾美元。"
憑借高密封性和軟機械性能，EGaIn 爲兼顧可拉伸性和氣密性的柔型封裝材料開辟了新設計空間，有助于在各種領域實現應用，包括柔性電子系統、可穿戴系統、能源生産存儲系統、傳熱系統、傳感系統和生物醫學系統等等。
在本論文中，研究人員還介紹了這種新型封裝材料在可拉伸相變傳熱裝置方面的應用。此外，如果在組件中加入玻璃窗傳輸電磁波，液體金屬對無線通信的屏蔽問題也能得到解決。
Dickey 教授表示：" 我們也在尋找行業合作夥伴來探索這項工作的潛在應用。除了用于軟電子産品的柔性電池，其他液體或氧氣敏感的設備也将從這項技術中獲益。"
參考文獻
[ 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
編譯：竹子
