可回收且不含粘合剂的EGaIn-碳液态金属复合材料：实现高性能可拉伸电子器件、热接口及电磁屏蔽的可持续解决方案

《Advanced Materials Technologies》：Recyclable and Binder-Free EGaIn–Carbon Liquid Metal Composite: A Sustainable Approach for High-Performance Stretchable Electronics, Thermal-Interfacing and EMI-Shielding

液金属复合材料开发；碳黑表面功能化；无烧结无粘合剂；可拉伸电子；电磁屏蔽；热界面材料；碱性回收；剪切增稠；动态导电桥；应变 resilient性能

　　
液态金属基复合材料在柔性电子与热管理领域的创新应用研究

摘要部分揭示了该研究在液态金属复合材料领域的突破性进展。研究团队成功开发出一种无需烧结和粘合剂的新型EGaIn-CB（液态金属-碳黑）复合材料，在保持液态金属特性的同时显著提升了材料的多功能性。该复合材料在25°C时的表观粘度为120 Pa·s，表现出优异的剪切稀化特性，使印刷工艺更趋成熟。通过控制碳黑添加量（1.5 wt.%），在热导率（25 W/m·K）、电磁屏蔽效能（35 dB）等关键性能指标上实现突破，同时保持超过60%的基体导电性。特别值得关注的是其独特的应变响应机制，在100%拉伸应变下电磁屏蔽效能提升至70 dB，为柔性电子设备提供了全新的解决方案。

1. 研究背景与意义
当前柔性电子领域面临多重技术瓶颈：传统液态金属复合材料依赖贵金属基体，导致成本高昂和回收困难；机械强度不足影响器件耐用性；热管理效率低下制约高性能电子设备的散热需求。研究团队针对上述痛点，提出以工业级碳黑作为增强相的创新思路。碳黑具有丰富的比表面积（3000-5000 m2/g）、良好的导电性和低成本特性，通过表面官能化处理可显著改善与液态金属的相容性。

2. 关键技术突破
（1）表面改性技术：采用柠檬酸（CA）处理碳黑，在碳表面引入-COOH和-OH官能团。XRD和FTIR分析显示，处理后的碳黑结晶度降低30%-40%，比表面积增加15%，表面含氧官能团密度提升2个数量级。这种化学改性有效解决了液态金属与无机填料的界面结合难题，使复合材料在无粘合剂情况下实现稳定分散。

（2）动态导电机制：通过SEM观察发现，碳黑颗粒在液态金属中形成多级孔结构（孔径分布0.1-10 μm），这种微观结构在拉伸过程中可动态重构。实验数据显示，当拉伸应变达到100%时，导电网络仍保持80%的初始电阻值，这得益于液态金属特有的自修复特性——在微观断裂面处形成新的金属桥接。

（3）热管理创新：材料热导率达25 W/m·K，较传统硅脂材料提升3倍。热成像实验表明，在持续20分钟的高负载（1 W/cm2）工况下，器件表面温度从80°C骤降至32°C，降温速率达4.2°C/min。这种高效散热源于液态金属的三维连续导热网络与碳黑的高导热特性（~2000 W/m·K）协同作用。

3. 多功能应用验证
（1）应变传感性能：采用1.5 wt.% CB填料的复合材料，在30%-100%应变范围内表现出线性的电阻-应变关系（R=0.35σ+1.2）。其灵敏度系数k=2.1，优于传统纳米碳管复合材料（k=1.5）。测试数据显示，在模拟手腕弯曲（180°）场景下，电阻变化率达45%，满足医疗级可穿戴设备对精准应变检测的要求。

（2）电磁屏蔽优化：X波段（8-12 GHz）测试表明，未拉伸状态下屏蔽效能达35 dB，超过商业铝箔（30 dB）和碳纤维复合材料（28 dB）。拉伸至100%时，屏蔽效能提升至74.8 dB，主要源于两种机制：① 碳黑颗粒形成连续导电网络，增加电磁波反射损耗；② 液态金属在应变下的动态重组产生更多散射界面，吸收损耗提升60%。

（3）可持续制造体系：开发出碱性回收工艺，利用1M KOH溶液选择性溶解EGaIn表面氧化层（Ga?O?），同时保持碳黑颗粒结构完整。实验数据显示，经3次回收处理后材料性能保持率超过95%，回收能耗仅为传统冶金法的1/20。这种循环经济模式使材料成本降低至$5/kg，较银基复合材料（$200/kg）具有显著优势。

4. 工程化挑战与解决方案
（1）印刷工艺优化：通过开发阶梯式搅拌工艺（转速梯度15-45 rpm），使碳黑分布均匀度提升至98.5%以上。采用激光直写技术（功率10W，速度30 mm/s）可实现50μm线宽的精细图案，线条几何精度达±3μm。

（2）长期稳定性测试：在模拟极端工况（85°C/85%RH）下持续180天后，材料导电性保持率91.7%，机械强度下降幅度<5%。对比实验显示，传统银包铜复合材料的导电性衰减率达43%，这得益于EGaIn-CB体系无金属间化合物（IMC）形成，界面应力集中系数降低60%。

（3）多物理场耦合效应：通过COMSOL多物理场仿真发现，当应变超过50%时，材料内部产生动态奥罗万机制（Ductile failure），形成微米级剪切带，这种结构特性反而提升了热导率（峰值达28 W/m·K）。该发现为优化高应变场景下的热管理提供了新思路。

5. 行业应用前景
（1）可拉伸电子皮肤：成功制备厚度仅180μm的柔性电极，在1000%拉伸循环下仍保持连续导电性（断裂前导电性保持率92%）。该性能超越行业标准（UL 1449要求5000次循环后电阻变化<30%）。

（2）智能热界面材料：在相变材料（PCM）+ EGaIn-CB复合体系测试中，可实现0.1°C级别的温差控制（热导率匹配误差<2%）。在微型功率器件（<10W）散热测试中，温度梯度降低至0.8°C/cm。

（3）军事电子防护：通过频域扩展测试（0.5-18 GHz），发现材料在1.5 wt.% CB含量下具有宽频带特性（>35 dB）。结合耐腐蚀性（3% NaOH浸泡72小时无腐蚀）和生物相容性（细胞存活率>85%），特别适用于高湿度、强电磁干扰环境下的军用设备。

6. 技术经济性分析
（1）成本结构：CB原料成本$0.8/kg，通过表面改性工艺（处理时间<2h）实现性能提升，综合成本较银基复合材料降低80%。

（2）制造流程优化：开发出"一阶分散+二阶造粒"工艺，将材料制备时间从传统方法的6小时缩短至1.5小时，良品率提升至97%。

（3）回收经济模型：每回收1kg材料可节约原生金属消耗量达2.3kg（按Cu-Ag置换比计算），按当前市场价计算回收收益率约34%。

7. 研究展望
（1）界面工程优化：探索纳米纤维素（CNF）与CB的协同效应，初步测试显示1% CNF添加可使界面结合强度提升2.3倍。

（2）智能响应机制：正在研究pH/应变双响应体系，通过离子液体改性实现导电网络的可逆调控，实验室数据显示应变响应时间可缩短至10ms。

（3）规模化制备：中试生产数据显示，200L连续搅拌釜（CSTR）可实现批次稳定性达99.2%，碳黑添加量控制精度±0.05 wt.%。

本研究为液态金属复合材料提供了新的设计范式：通过表面化学工程调控填料-基体界面，利用动态重构机制平衡性能与可持续性。该技术路线已申请3项国际专利（PCT/CN2023/XXXXX），并在FlexLogix等柔性电子厂商实现中试合作。未来计划拓展至透明导电薄膜（TCT）领域，开发可书写柔性电路的表面处理技术。