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四川大學陳英紅教授/廣西大學石紹宏博士 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)無線通信技術及便攜式電子設備的發(fā)展給人們生活帶來了便利，但日益嚴重的電磁輻射與干擾問題除了影響電子信息設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、高功率運行過程中，所面臨的熱傳導和耗散問題嚴重。因此，亟待發(fā)展具有高效電磁屏蔽及熱傳導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效率。本文為實現(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，設計成型了系列結(jié)構(gòu)多樣化，且兼具熱管理及電磁屏蔽性能的聚乳酸/石墨烯復合材料功能器件，這項工作為新型多功能器件設計與制備提供了新思路、新方法，也為3D打印技術在電磁輻射防護及熱管理領域的創(chuàng)新應用奠定了重要基礎。


本文要點：


1.3D打印多結(jié)構(gòu)模型


  為利用3D打印技術制造多結(jié)構(gòu)的幾何模型，本研究結(jié)合復合流體的粘彈性流動特征，對流體在3D打印微流道內(nèi)的流動行為進行有限元模擬仿真(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，對應流線的剪切速率均在同一個數(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；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，精確調(diào)控流體的流動行為，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


  面向熱管理應用，3D打印成型了用于電子設備的散熱組件。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打印技術可實現(xiàn)目標組件的自由構(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)的精細化制造要求。進一步，評價打印散熱組件的熱管理能力，實驗結(jié)果表明，在引入石墨烯材料后，聚乳酸/石墨烯復合材料的散熱效率顯著提升。在預設熱管理環(huán)境(金屬和泡沫基板接觸熱擴散)下，石墨烯基復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合材料的優(yōu)異熱管理能力。復合材料的散熱機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)絡對材料熱擴散的貢獻作用，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行熱運動，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)，從而實現(xiàn)了復合材料的高效傳導和散熱。

 

圖2. 3D打印功能器件的熱管理應用


3.3D打印電磁屏蔽器件


  除熱管理之外，作為概念驗證，設計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，包括5G通訊信號與無線藍牙信號(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，獨特的幾何結(jié)構(gòu)有利于電磁波的內(nèi)部反射與吸收。進一步，驗證了該模塊的電磁屏蔽特性，通過對藍牙信號阻斷評估，證實其對特定信號波段(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)于當前商業(yè)屏蔽標準。總體而言，該工作有望為服務于現(xiàn)代電子工程的新型多功能器件設計制造提供新思路、新方法。

 

圖3. 3D打印功能器件的電磁屏蔽應用


  相關工作以“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陳英紅教授，第一作者為廣西大學石紹宏助理教授。該研究工作得到四川省國際科技創(chuàng)新合作項目(2021YFH0088)、成都市國際科技創(chuàng)新合作項目(2021-GH03-00009-HZ)、廣西省自然科學基金項目(2022GXNSFDA035065)、廣西創(chuàng)新驅(qū)動項目基金（No. AA17204087-16）及四川大學工科共性學科特色方向項目(2020SCUNG203)的支持。


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

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（責任編輯：xu）
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