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臧剑锋教授与杨诺教授团队以实验结合理论的方式首次研究了柔性聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶的热输运特性

作者: 时间:2018-03-15 点击数:

近年来柔性水凝胶在柔性电子、柔性执行器和柔性机器人领域受到了越来越多的关注。随着这些领域对体系功能化的的要求不断提高,水凝胶与不同材料(软材料、电子元器件等)之间的协同工作成为发展趋势。其中水凝胶的热输运特性会极大地影响柔性电子、柔性机器人系统整体的稳定性,以及一些热致柔性执行器的响应特性。如图1,包埋于水凝胶中的电子器件的在短时间内就会产生足够多的热量,从而引起电路元器件周围的迅速升温,进而影响器件的性能与寿命。因此对于柔性水凝胶的热传输特性研究极具意义。

图1 水凝胶柔性电子器件的散热性能展示。

近期,华中科技大学臧剑锋教授以及杨诺教授研究团队以实验结合理论的方式首次研究了柔性聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶的热输运特性,成果发表在Polymers上。如图2所示,研究团队以柔性电子与柔性机器人中常用的PAAm水凝胶作为研究对象(图2(a)(b)),利用两种模式的3-Omega的测试方法(图2(c)(d)),主要研究了水凝胶在不同交联程度、含水量及温度下热导率变化规律。

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图2 研究对象及测试方法示意图。

如图3,柔性PAAm水凝胶在该测试体系下,呈现出了与分子动力学模拟一致的变化规律,随着交联密度的增加,材料的热导率先增加后降低,最高可达到0.51 Wm−1K−1。结合理论分析、平衡溶胀法对材料内部实际交联密度的表征以及材料的内在形貌的扫描电子显微镜(SEM)表征,研究团队将该变化趋势的内在机理总结为内部导热通路的增加对热传导的提高和声子散射的增加对热传导的降低之间的相互竞争。此外,研究团队也发现,不同含水量的水凝胶也存在着热输运的差异,含水量从23到88wt%的增加会带来整体热导率近40%的提高。而对于不同的温度(25-40℃),样品热导率基本没有变化。

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图3 PAAm水凝胶的交联效应。

该工作从实验到理论的角度,为水凝胶热输运特性的研究提供了切实可行且具有普适性的研究方法,也对柔性材料的热输运研究与水凝胶体系下的柔性电子器件的设计有一定的指导意义。研究团队认为,种类丰富的水凝胶家族的热输运特性的研究仍然大有可为,材料的成键方式、高分子链的构象以及材料的多孔结构等因素对水凝胶在微纳尺度下的传热影响也极具研究价值。

该工作的第一作者是唐妮,彭展和郭汝磊。合作者有安盟,陈显栋,和李小波副教授。工作得到了国家自然科学基金以及国家青年千人项目的支持。

论文链接:

http://www.mdpi.com/2073-4360/9/12/688

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