北京航空航天大学李宇航和浙江大学宋吉舟Adv. Funct. Mater.: 功能性软复合材料作为可穿戴电子产品的热保护基底

【引言】

力学设计和材料的最新进展使高性能可穿戴电子设备能够与人体皮肤保形接触，以便主动和准确地测量生理信号（例如，体温、血氧、血糖等），用于具有预先诊断功能的健康管理。尽管这些可穿戴电子设备的保形接触及应用在实验中得到了成功的验证，但功能部件（例如，发光二极管）的发热有可能会导致人体不适，甚至对皮肤造成损伤。由聚合物制成的柔性基底散热能力较差，为了减少可穿戴电子器件的不利热效应，文献已报道多种基底设计，包括液态金属/聚合物复合材料基底、纳米线或纳米颗粒/聚合物复合材料基底和金属散热片基底等，通过提高基底的热导率以增强可穿戴电子传热系统的散热。热导率的提高降低了电子器件的温度，但是有可能使更多的热量向皮肤扩散，导致皮肤的温度升高，这就给皮肤温度的管理带来困难。有学者通过引入分层正交异性基底设计进而控制热流方向以降低最大皮肤温度，但制造复杂性极大地限制了其广泛的应用,同时这种各向异性基底因添加硬组分而降低了基底的柔性。尽管上述针对可穿戴电子器件传热系统基底的设计具有一定的热管理功能，但在器件运行期间对皮肤的热防护的研究却很少，这仍然是可穿戴电子器件面临的关键挑战之一。

【成果简介】

在这个工作中，作者报道了一种功能性软复合材料作为可穿戴电子器件的热防护基底，能够在保持基底柔性的前提下控制热流和有效地吸收热能。该功能性软复合材料是将金属薄膜与相变材料嵌入柔性高分子聚合物中，这样较多热流能沿着面内方向传播，并且当温度高于相变材料的转变温度时，热量能被吸收。一些相变材料具有通过固-液相变吸收大量热能的能力，同时保持相对稳定的温度。相变材料的这一特殊热学性能为生物集成可穿戴电子器件系统的热防护提供了一条合适的途径。该功能性柔性复合材料的实验与数值研究揭示了设计与应用的基本原理。与新鲜猪皮集成的基于热防护基底的可穿戴式加热器的演示，说明了其可有效地降低最高皮肤温度的能力，从而展示了与可穿戴电子产品相结合的实际应用可能，并为需要生物热保护的生物集成应用创造了工程应用的机会。该成果以题为“Functional Soft Composites As Thermal Protecting Substrates for Wearable Electronics”发表在Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

Figure 1.皮肤集成可穿戴设备的横截面图

a）柔性聚合物的传统基底

b）功能性柔性复合材料的热防护基底，由嵌入柔性聚合物的相变材料与其上部的金属薄膜构成

Figure 2.具有热防护基底的可穿戴电子器件

a）可穿戴电子器件示意图，包括功能性柔性复合材料上的热源（柔性超薄加热器）。当与皮肤相结合时，皮肤上的最高温度出现在热防护基底与皮肤之间界面上的蓝点标记的中心

b）带有ACF连线的可穿戴电子器件

c）超薄柔性加热器

d）弯折状态下的可穿戴电子器件

e）集成在人体皮肤上的可穿戴电子器件

Figure 3.功能性柔性复合材料作为热防护基底的热防护效果

a,b）加热40s时PDMS基底与热防护基底底部的实验和有限元温度分布

c）基底底部的最高温度随时间的变化（加热40s）

d）基底底部的最高温度随着加热时间的函数关系。热防护基底在加热过程中的热响应分为I、II、III和IV四个阶段：

e）加热时间对降温效率的影响；

f）石蜡层厚度对降温效率的影响；

g）复合材料基底厚度对降温效率的影响；

h）石蜡层位置对降温效率的影响。f）-h）还考虑了铜膜厚度对降温效率的影响。

Figure 4. 功能性柔性复合材料基底对生物组织的热防护作用

【小结】

在这项研究中，作者为可穿戴电子设备提出了一种新颖的热防护基底设计。构成热防护基底的功能性软复合材料，由嵌入柔性聚合物中的相变材料及其上部的薄金属膜组成。结果表明，与传统柔性基底相比，所提出的热防护基底可以在适当的参数下将皮肤温升峰值降低超过85％。实验和数值研究揭示了热防护机理：通过金属层调控热流，利用相变材料吸收热能。充分研究了几何参数对降温性能的影响。与新鲜猪皮集成的可穿戴式加热器/热防护基底的降温效果，展示了热防护基底降低皮肤温度的优异性能。

Functional Soft Composites As Thermal Protecting Substrates for Wearable Electronics

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

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