北京航空航天大學李宇航和浙江大學宋吉舟Adv. Funct. Mater.: 功能性軟復合材料作為可穿戴電子產品的熱保護基底

【引言】

力學設計和材料的最新進展使高性能可穿戴電子設備能夠與人體皮膚保形接觸，以便主動和準確地測量生理信號（例如，體溫、血氧、血糖等），用于具有預先診斷功能的健康管理。盡管這些可穿戴電子設備的保形接觸及應用在實驗中得到了成功的驗證，但功能部件（例如，發光二極管）的發熱有可能會導致人體不適，甚至對皮膚造成損傷。由聚合物制成的柔性基底散熱能力較差，為了減少可穿戴電子器件的不利熱效應，文獻已報道多種基底設計，包括液態金屬/聚合物復合材料基底、納米線或納米顆粒/聚合物復合材料基底和金屬散熱片基底等，通過提高基底的熱導率以增強可穿戴電子傳熱系統的散熱。熱導率的提高降低了電子器件的溫度，但是有可能使更多的熱量向皮膚擴散，導致皮膚的溫度升高，這就給皮膚溫度的管理帶來困難。有學者通過引入分層正交異性基底設計進而控制熱流方向以降低最大皮膚溫度，但制造復雜性極大地限制了其廣泛的應用,同時這種各向異性基底因添加硬組分而降低了基底的柔性。盡管上述針對可穿戴電子器件傳熱系統基底的設計具有一定的熱管理功能，但在器件運行期間對皮膚的熱防護的研究卻很少，這仍然是可穿戴電子器件面臨的關鍵挑戰之一。

【成果簡介】

在這個工作中，作者報道了一種功能性軟復合材料作為可穿戴電子器件的熱防護基底，能夠在保持基底柔性的前提下控制熱流和有效地吸收熱能。該功能性軟復合材料是將金屬薄膜與相變材料嵌入柔性高分子聚合物中，這樣較多熱流能沿著面內方向傳播，并且當溫度高于相變材料的轉變溫度時，熱量能被吸收。一些相變材料具有通過固-液相變吸收大量熱能的能力，同時保持相對穩定的溫度。相變材料的這一特殊熱學性能為生物集成可穿戴電子器件系統的熱防護提供了一條合適的途徑。該功能性柔性復合材料的實驗與數值研究揭示了設計與應用的基本原理。與新鮮豬皮集成的基于熱防護基底的可穿戴式加熱器的演示，說明了其可有效地降低最高皮膚溫度的能力，從而展示了與可穿戴電子產品相結合的實際應用可能，并為需要生物熱保護的生物集成應用創造了工程應用的機會。該成果以題為“Functional Soft Composites As Thermal Protecting Substrates for Wearable Electronics”發表在Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

Figure 1.皮膚集成可穿戴設備的橫截面圖

a）柔性聚合物的傳統基底

b）功能性柔性復合材料的熱防護基底，由嵌入柔性聚合物的相變材料與其上部的金屬薄膜構成

Figure 2.具有熱防護基底的可穿戴電子器件

a）可穿戴電子器件示意圖，包括功能性柔性復合材料上的熱源（柔性超薄加熱器）。當與皮膚相結合時，皮膚上的最高溫度出現在熱防護基底與皮膚之間界面上的藍點標記的中心

b）帶有ACF連線的可穿戴電子器件

c）超薄柔性加熱器

d）彎折狀態下的可穿戴電子器件

e）集成在人體皮膚上的可穿戴電子器件

Figure 3.功能性柔性復合材料作為熱防護基底的熱防護效果

a,b）加熱40s時PDMS基底與熱防護基底底部的實驗和有限元溫度分布

c）基底底部的最高溫度隨時間的變化（加熱40s）

d）基底底部的最高溫度隨著加熱時間的函數關系。熱防護基底在加熱過程中的熱響應分為I、II、III和IV四個階段：

e）加熱時間對降溫效率的影響；

f）石蠟層厚度對降溫效率的影響；

g）復合材料基底厚度對降溫效率的影響；

h）石蠟層位置對降溫效率的影響。f）-h）還考慮了銅膜厚度對降溫效率的影響。

Figure 4. 功能性柔性復合材料基底對生物組織的熱防護作用

【小結】

在這項研究中，作者為可穿戴電子設備提出了一種新穎的熱防護基底設計。構成熱防護基底的功能性軟復合材料，由嵌入柔性聚合物中的相變材料及其上部的薄金屬膜組成。結果表明，與傳統柔性基底相比，所提出的熱防護基底可以在適當的參數下將皮膚溫升峰值降低超過85％。實驗和數值研究揭示了熱防護機理：通過金屬層調控熱流，利用相變材料吸收熱能。充分研究了幾何參數對降溫性能的影響。與新鮮豬皮集成的可穿戴式加熱器/熱防護基底的降溫效果，展示了熱防護基底降低皮膚溫度的優異性能。

Functional Soft Composites As Thermal Protecting Substrates for Wearable Electronics

(Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201905470)

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