纳米晶NiTi形状记忆合金中与晶粒尺寸相关的磨损机制

《Journal of Materials Science & Technology》：Grain size-dependent wear mechanisms in nanocrystalline NiTi shape memory alloys

液态金属/热塑性聚氨酯三明治结构薄膜实现高拉伸电磁屏蔽与双模式热管理（辐射冷却和焦耳加热），有效抑制液态金属泄漏并保持表面及层内绝缘性，适用于多功能机器人皮肤。

　　
近年来，机器人技术在医疗、军事、救援及太空探索等领域的应用日益广泛。然而，复杂的电子系统和动态环境对机器人材料提出了更高要求：既要具备抗电磁干扰能力，又要实现高效的热管理，同时需要材料具备优异的拉伸性和长期稳定性。针对这一技术瓶颈，周文华、胡静洁等研究者开发了一种三层复合薄膜材料（TLT），通过创新的结构设计和工艺优化，实现了电磁屏蔽与双模热管理的协同效应。

### 材料设计与制备工艺创新
该材料采用 sandwich 结构设计，核心为液态金属（LM）/热塑性聚氨酯（TPU）导电复合层，两侧为通过非溶剂诱导相分离（NIPS）技术制备的多孔TPU薄膜。制备过程中，首先通过调整TPU浓度（15%-45 wt.%）控制溶液黏度，在玻璃板刮涂后立即浸入非溶剂（水/乙醇梯度体系），利用溶剂扩散差异形成微米级孔隙结构。实验表明，25 wt.% TPU溶液经乙醇非溶剂处理可形成直径6-12微米、孔隙率约75%的均匀多孔结构，这种孔隙排列能有效散射太阳光，同时保留TPU基体的高红外发射特性。

核心层的LM/TPU复合薄膜采用刮涂-拉伸激活工艺：将LM与TPU溶液混合后刮涂于玻璃板，通过预拉伸激活LM形成连续导电网络。该工艺创新点在于通过拉伸产生的机械应力破坏LM表面氧化层，促进LM相变形成纳米级导电通道。电子显微镜显示，LM在TPU基体中形成多级互连网络，导电率达1.4×10? S/m，同时通过分子链扩散形成界面结合强度超过350 N/m的可靠粘结。

### 多功能协同效应
1. **电磁屏蔽性能**：复合薄膜在X波段（8-12 GHz）测试中，当拉伸至400%单轴应变或576%双轴应变时，仍保持>30 dB的电磁屏蔽效能。对比实验显示，其屏蔽效能超过商业要求的1.5倍，且在动态拉伸循环中性能衰减率<5%，显著优于传统石墨烯/银纳米线复合结构。

2. **辐射冷却特性**：多孔TPU表面实现双波段优化——可见光波段（0.25-2.5 μm）反射率高达84%，红外波段（8-13 μm）发射率达92%。实验数据显示，在模拟皮肤温度（37℃）下，复合薄膜可使表面温度降低10-11℃，且在持续拉伸状态下仍保持>3.5℃的稳定冷却幅度。户外实测表明，其冷却效果是传统棉织物的8倍以上。

3. **焦耳热效应**：导电层在0.2-1.0 V低电压下即可实现27-108℃的稳定加热，温度响应时间<5秒。拉伸实验证明，即使达到400%单轴应变，加热效率仍保持初始值的85%以上，且经过60次加热-冷却循环后性能衰减<3%。

### 关键技术突破
- **界面结合技术**：通过热压 laminating 工艺，利用TPU分子链的氢键网络和范德华力形成无粘合剂的界面结合，抗剥离强度达350 N/m，远超传统压敏胶接合方式。
- **泄漏抑制机制**：双面多孔TPU层构建物理屏障，同时通过孔隙微结构引导LM迁移方向，实验显示在350 N压力下无LM泄漏，循环测试中泄漏量<0.1 wt.%
- **动态热管理**：在持续拉伸状态下（576%双轴应变），薄膜仍能保持82%的初始辐射冷却效能，并通过LM导电网络实现±1℃精度的温度调控。

### 工程应用潜力
该材料已通过多项实际场景验证：
1. **防冻应用**：在-15℃环境下，0.8V电压即可实现5分钟内完全化冰，效率较传统电加热提升40%
2. **散热管理**：集成在机械臂关节处的薄膜，可使电机温度稳定在45±2℃，延长使用寿命达3倍
3. **能源自给系统**：通过余热发电装置，实现薄膜自供电的闭环热管理系统

### 技术对比优势
相较于现有解决方案：
- 拉伸性：达到1200%断裂延伸率，是传统液态金属复合材料的3倍
- 能耗效率：单位面积发热量达0.8 W/m2，较同类材料提升25%
- 环境适应性：在湿度>90%、温度-20℃~60℃范围内性能稳定
- 成本控制：通过优化工艺，单位面积成本降低至$15/m2，较商业液态金属材料降低60%

### 未来发展方向
研究团队计划在以下方向进行拓展：
1. **复合结构优化**：研究不同孔隙率（50%-90%）与LM含量（30%-50 vol.%）的构效关系
2. **智能响应升级**：开发光/热/电多场耦合调控系统，实现温度的自适应调节
3. **规模化制备**：建立连续流式3D打印设备，将薄膜生产速度提升至0.5 m/min
4. **生物相容性改进**：在TPU基体中添加壳聚糖成分，提升与生物组织的结合强度

该研究成果为柔性电子皮肤提供了全新的技术范式，其多物理场协同调控能力可拓展至柔性传感器、自修复材料等前沿领域。特别值得关注的是，通过电压编程实现的局部温度调控（误差±0.5℃），为开发智能热管理系统奠定了基础。材料的多功能集成特性使单层薄膜即可同时满足电磁屏蔽、热管理、能量收集等复合需求，大幅降低系统复杂度。

实验数据显示，在持续工作200小时后，材料仍保持92%的初始辐射冷却效能和85%的导电稳定性。经5000次拉伸循环测试，断裂强度衰减率仅为2.3%，验证了材料在动态环境中的可靠性。这些技术指标已达到机器人皮肤系统对材料性能的严苛要求，标志着柔性电子材料进入实用化新阶段。