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四川大學(xué)陳英紅教授/廣西大學(xué)石紹宏博士 CEJ：3D打印制造兼具熱管理及電磁屏蔽性能的聚乳酸/石墨烯復(fù)合材料功能器件

2022-07-28 來源：高分子科技

第五代(5G)無線通信技術(shù)及便攜式電子設(shè)備的發(fā)展給人們生活帶來了便利，但日益嚴(yán)重的電磁輻射與干擾問題除了影響電子信息設(shè)備的安全性和可靠性外，還危害人體健康。此外，集成化、智能化電子器件在高頻、高功率運(yùn)行過程中，所面臨的熱傳導(dǎo)和耗散問題嚴(yán)重。因此，亟待發(fā)展具有高效電磁屏蔽及熱傳導(dǎo)能力的功能材料及器件。石墨烯材料因具有卓越的電子傳輸能力，使其展現(xiàn)出優(yōu)異的電磁屏蔽和熱傳導(dǎo)效率。本文為實(shí)現(xiàn)多結(jié)構(gòu)、高性能功能器件的制備，創(chuàng)新引入3D打印增材制造技術(shù)，設(shè)計(jì)成型了系列結(jié)構(gòu)多樣化，且兼具熱管理及電磁屏蔽性能的聚乳酸/石墨烯復(fù)合材料功能器件，這項(xiàng)工作為新型多功能器件設(shè)計(jì)與制備提供了新思路、新方法，也為3D打印技術(shù)在電磁輻射防護(hù)及熱管理領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。

本文要點(diǎn)：

1.3D打印多結(jié)構(gòu)模型

為利用3D打印技術(shù)制造多結(jié)構(gòu)的幾何模型，本研究結(jié)合復(fù)合流體的粘彈性流動(dòng)特征，對流體在3D打印微流道內(nèi)的流動(dòng)行為進(jìn)行有限元模擬仿真(FES)分析。圖1展示了打印流道的幾何結(jié)構(gòu)及流體在打印收斂區(qū)域的流速和剪切速率分布。圖中顯示，特定打印條件下，流體流速呈增加趨勢；且在同一橫截面上，對應(yīng)流線的剪切速率均在同一個(gè)數(shù)量級內(nèi)，表明流體在同截面上，不論是表層還是芯層，都保持平穩(wěn)流動(dòng)；離模前，流體剪切速率穩(wěn)定，并形成剪切速率平臺(約10² s^-1)。這一特征充分保證了流體平穩(wěn)地離開打印流道，穩(wěn)定沉積在基板上，實(shí)現(xiàn)多結(jié)構(gòu)幾何模型的定制化制造。據(jù)此，基于FES理論分析，利用3D打印技術(shù)，精確調(diào)控流體的流動(dòng)行為，成型了具有不同幾何結(jié)構(gòu)的打印件，包括波浪、三角形、網(wǎng)格、磚塊和六邊形等。

圖1. 基于FES指導(dǎo)打印成型的多樣化結(jié)構(gòu)件

2.3D打印熱管理器件

面向熱管理應(yīng)用，3D打印成型了用于電子設(shè)備的散熱組件。圖2展示了散熱組件的宏/微觀結(jié)構(gòu)及其熱管理性能。圖中可見，宏觀尺度上，采用3D打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)組件的自由構(gòu)建、定制成型；微觀尺度上，打印單絲尺寸均一且規(guī)整，完全滿足對結(jié)構(gòu)的精細(xì)化制造要求。進(jìn)一步，評價(jià)打印散熱組件的熱管理能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在引入石墨烯材料后，聚乳酸/石墨烯復(fù)合材料的散熱效率顯著提升。在預(yù)設(shè)熱管理環(huán)境(金屬和泡沫基板接觸熱擴(kuò)散)下，石墨烯基復(fù)合材料的初始散熱效率較純聚合物分別提高了266%和121%，表觀上，采集的最大溫差接近45°。這些特征充分證明石墨烯基復(fù)合材料的優(yōu)異熱管理能力。復(fù)合材料的散熱機(jī)制也同步如示意圖所示，其形象地展示了基體內(nèi)部石墨烯網(wǎng)絡(luò)對材料熱擴(kuò)散的貢獻(xiàn)作用，即在微/納尺度上，除聚合物分子鏈間的熱耦合散熱外，石墨烯表面的自由電子不停地進(jìn)行熱運(yùn)動(dòng)，毗鄰電子相互碰撞過程中，自發(fā)地將熱能從高能區(qū)轉(zhuǎn)移到低能區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料的高效傳導(dǎo)和散熱。

圖2. 3D打印功能器件的熱管理應(yīng)用

3.3D打印電磁屏蔽器件

除熱管理之外，作為概念驗(yàn)證，設(shè)計(jì)并打印了一組包含電磁屏蔽盒和屏蔽蓋的便攜式屏蔽模塊，其主要針對民用通訊信號的電磁波輻射防護(hù)，包括5G通訊信號與無線藍(lán)牙信號(2.4 GHz)。圖3展示了屏蔽模塊的結(jié)構(gòu)及對電磁波信號的屏蔽性能。其中，屏蔽模塊的內(nèi)部由蜂窩狀結(jié)構(gòu)堆砌而成，獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)有利于電磁波的內(nèi)部反射與吸收。進(jìn)一步，驗(yàn)證了該模塊的電磁屏蔽特性，通過對藍(lán)牙信號阻斷評估，證實(shí)其對特定信號波段(2.4 GHz)具有理想的屏蔽功效；理論測試結(jié)果也表明，其在1.7 ~ 2.6 GHz和4.0 ~ 6.0 GHz頻段內(nèi)，電磁屏蔽效能(EMI SE)均高于30 dB，優(yōu)于當(dāng)前商業(yè)屏蔽標(biāo)準(zhǔn)。總體而言，該工作有望為服務(wù)于現(xiàn)代電子工程的新型多功能器件設(shè)計(jì)制造提供新思路、新方法。

圖3. 3D打印功能器件的電磁屏蔽應(yīng)用

相關(guān)工作以“3D printed polylactic acid/graphene nanocomposites with tailored multifunctionality towards superior thermal management and high-efficient electromagnetic interference shielding”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上，文章通訊作者為四川大學(xué)陳英紅教授，第一作者為廣西大學(xué)石紹宏助理教授。該研究工作得到四川省國際科技創(chuàng)新合作項(xiàng)目(2021YFH0088)、成都市國際科技創(chuàng)新合作項(xiàng)目(2021-GH03-00009-HZ)、廣西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2022GXNSFDA035065)、廣西創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目基金（No. AA17204087-16）及四川大學(xué)工科共性學(xué)科特色方向項(xiàng)目(2020SCUNG203)的支持。

原文鏈接：https://authors.elsevier.com/c/1fTdq4x7R2ccP5

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（責(zé)任編輯：xu）

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