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在材料设计与制造的难题中，研究人员聚焦模内电子学（IME），开展热固性材料用于真空成型的研究。他们成功制备出性能优异的热固性材料，实现结构电子学制造，为 IME 发展带来突破，拓展其在多领域应用。
在材料制造领域，一直存在着材料性能与制造工艺难以平衡的难题。就像鱼与熊掌难以兼得一样，具有优良性能的材料，如热固性材料，虽然拥有强度高、热稳定性和化学稳定性好等优点，但加工难度大、制造过程能耗高且对环境不友好；而易于加工的热塑性材料，在极端环境下却难以维持其机械性能。在模内电子学（IME）这一新兴领域，情况同样如此。IME 利用热塑性材料的熔融特性，通过真空成型和注塑成型来制造结构电子元件，具有成本低、生产周期短等优势，在汽车等工业领域应用广泛。然而，现有的 IME 依赖热塑性基板，其在环境适应性等方面存在不足。如果能将热固性材料应用于 IME 的真空成型，将极大地提升电子元件的性能和应用范围，这就促使研究人员开启了新的探索之旅。
美国桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）的研究人员敏锐地捕捉到这一挑战，开展了一项极具创新性的研究。他们致力于开发一种方法，使热固性材料能够适用于真空成型工艺，从而为 IME 带来新的突破。经过一系列艰苦的实验和探索，研究人员成功找到了一种解决方案。他们通过环境聚合将液态单体溶液转变为弹性体凝胶，这种凝胶可以进行真空成型，随后再通过前沿聚合（FROMP）完成反应，制备出具有优异性能的热固性材料。这一成果意义重大，不仅为 IME 制造提供了性能更优的材料选择，还拓展了其在建筑、汽车、外星结构等对环境要求苛刻领域的应用，推动了结构电子学的发展。该研究成果发表在《Nature Communications》上，引起了广泛关注。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是流变学技术，用于表征树脂在室温下的凝胶行为，监测凝胶形成过程中模量的变化，以此确定凝胶的形成时间和可操作时间。其次，利用差示扫描量热法（DSC）测定凝胶随时间的残余放热，通过分析放热曲线计算凝胶的转化率，了解反应进程。另外，傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术则用于跟踪单体中降冰片烯键的转化情况，进一步探究凝胶形成机制。这些技术相互配合，为研究提供了有力支持。
下面来看具体的研究结果：
- 树脂配方与表征：研究人员将主要由二环戊二烯（DCPD）单体和钌催化剂混合，在环境条件下反应形成粘弹性聚二环戊二烯（pDCPD）凝胶，再通过 FROMP 形成完全固化的 pDCPD。研究发现，DCPD 中降冰片烯环的开环反应是放热的，能驱动前沿聚合反应。在树脂配方优化方面，研究不同催化剂负载量对凝胶形成时间、工作时间和材料性能的影响。实验结果表明，0.01 mol% 的催化剂负载量具有诸多优势，它能提供 20 分钟的液态加工窗口、45 分钟达到可用凝胶状态（储能模量为 2 kPa），工作时间长达 75 分钟，综合性能最佳123。
- pDCPD 热固性材料的真空成型和前沿聚合：研究人员使用 3D 打印的复杂模具对 pDCPD 凝胶进行真空成型，用热风枪引发 FROMP，反应在约 5 分钟内完成整个 10 cm×10 cm 区域的固化。通过热重分析（TGA）、拉伸测试等手段对成型后的材料性能进行表征，发现完全固化的 pDCPD 在 450°C 才开始热降解，具有良好的热稳定性；其杨氏模量为 1.7 GPa，拉伸强度为 48 MPa，玻璃化转变温度在 168 - 181°C，机械性能优异。与传统真空成型的热塑性材料（如聚对苯二甲酸乙二醇酯二醇（PETG））相比，pDCPD 在 300°C 高温下仍能保持形状，而 PETG 则会熔化变形456。
- 使用热固性基板的结构电子学：研究人员利用 pDCPD 凝胶作为 2D 基板，在真空成型和 FROMP 之前，通过在凝胶上应用导电铜箔来制作导电线路，成功制造出具有导电铜迹的结构电子元件，如电池电源模块。这一成果展示了热固性材料在结构电子学中的应用潜力，其能够耐受高温焊接条件，且拓宽了 IME 的操作环境，克服了传统纳米颗粒墨水和低熔点热塑性基板的局限性789。
研究结论和讨论部分指出，该研究成功开发出与真空成型工艺兼容的热固性材料，通过 FROMP 实现了结构电子学的高效制造。这种热固性材料在性能上优于传统热塑性材料，能够满足极端环境下的应用需求，为 IME 带来了更大的设计自由度，减少了组件之间的连接，降低了产品的尺寸、重量和功耗（SWaP）。此外，该研究为其他热固性材料系统的开发提供了思路，有望推动可降解、可回收系统和泡沫材料在 IME 领域的发展，促进材料与制造工艺的可持续发展。这一研究成果为结构电子学领域带来了新的突破，开启了热固性材料在真空成型结构电子学中应用的新篇章，具有重要的科学意义和实际应用价值。
