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  近年來柔性水凝膠在柔性電子、柔性執(zhí)行器和柔性機器人領(lǐng)域受到了越來越多的關(guān)注。隨著這些領(lǐng)域?qū)w系功能化的的要求不斷提高，水凝膠與不同材料（軟材料、電子元器件等）之間的協(xié)同工作成為發(fā)展趨勢。其中水凝膠的熱輸運特性會極大地影響柔性電子、柔性機器人系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性，以及一些熱致柔性執(zhí)行器的響應特性。如圖1，包埋于水凝膠中的電子器件的在短時間內(nèi)就會產(chǎn)生足夠多的熱量，從而引起電路元器件周圍的迅速升溫，進而影響器件的性能與壽命。因此對于柔性水凝膠的熱傳輸特性研究極具意義。

圖1 水凝膠柔性電子器件的散熱性能展示。

  近期，華中科技大學臧劍鋒教授以及楊諾教授研究團隊以實驗結(jié)合理論的方式首次研究了柔性聚丙烯酰胺（PAAm）水凝膠的熱輸運特性，成果發(fā)表在Polymers上。如圖2所示，研究團隊以柔性電子與柔性機器人中常用的PAAm水凝膠作為研究對象（圖2(a）(b)）,利用兩種模式的3-Omega的測試方法（圖2(c)(d)），主要研究了水凝膠在不同交聯(lián)程度、含水量及溫度下熱導率變化規(guī)律。

圖2 研究對象及測試方法示意圖。

  如圖3，柔性PAAm水凝膠在該測試體系下，呈現(xiàn)出了與分子動力學模擬一致的變化規(guī)律，隨著交聯(lián)密度的增加，材料的熱導率先增加后降低，最高可達到0.51 Wm^?1K^?1。結(jié)合理論分析、平衡溶脹法對材料內(nèi)部實際交聯(lián)密度的表征以及材料的內(nèi)在形貌的掃描電子顯微鏡（SEM）表征，研究團隊將該變化趨勢的內(nèi)在機理總結(jié)為內(nèi)部導熱通路的增加對熱傳導的提高和聲子散射的增加對熱傳導的降低之間的相互競爭。此外，研究團隊也發(fā)現(xiàn)，不同含水量的水凝膠也存在著熱輸運的差異，含水量從23到88wt%的增加會帶來整體熱導率近40%的提高。而對于不同的溫度（25-40℃），樣品熱導率基本沒有變化。

圖3 PAAm水凝膠的交聯(lián)效應。

  該工作從實驗到理論的角度，為水凝膠熱輸運特性的研究提供了切實可行且具有普適性的研究方法，也對柔性材料的熱輸運研究與水凝膠體系下的柔性電子器件的設計有一定的指導意義。研究團隊認為，種類豐富的水凝膠家族的熱輸運特性的研究仍然大有可為，材料的成鍵方式、高分子鏈的構(gòu)象以及材料的多孔結(jié)構(gòu)等因素對水凝膠在微納尺度下的傳熱影響也極具研究價值。

  該工作的第一作者是唐妮，彭展和郭汝磊。合作者有安盟，陳顯棟，和李小波副教授。工作得到了國家自然科學基金以及國家青年千人項目的支持。

  論文鏈接：http://www.mdpi.com/2073-4360/9/12/688