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  透明加熱器（THs）是一種包含有導(dǎo)電層的視覺透明加熱器件，其加熱原理通過電流流經(jīng)導(dǎo)電層產(chǎn)生焦耳熱來實現(xiàn)。目前，基于透明導(dǎo)電氧化物（ITO）的剛性THs已被廣泛應(yīng)用于智能窗戶、除冰器、除霧器和顯示器等領(lǐng)域，但剛性的THs卻不能滿足新一代柔性和可拉伸的電子設(shè)備發(fā)展需求。近幾十年來，基于碳納米管、石墨烯、納米銀線和導(dǎo)電高分子等新型電子導(dǎo)電材料的柔性THs取得了一定的進(jìn)展。然而，這些柔性透明加熱器的主要設(shè)計策略是結(jié)合電子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和柔性聚合物基體，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)不可避免地帶來了三個嚴(yán)重的問題：（1）導(dǎo)電組分含量的增加在提高導(dǎo)電性的同時會降低透明度；（2）導(dǎo)電組分的不均勻分布及結(jié)點產(chǎn)生局部熱點造成加熱器性能降低；（3）導(dǎo)電組分與高分子基體之間的不良界面粘結(jié)降低加熱器在循環(huán)力和熱載荷下的穩(wěn)定性。

  當(dāng)前，大多數(shù)電子導(dǎo)體基THs是基于直流電作用下的焦耳熱效應(yīng)，其載流子為電子，而離子在交流電作用下，在交變電場中來回移動、碰撞和摩擦，也會產(chǎn)生熱效應(yīng)，因此可以利用離子產(chǎn)生的熱效應(yīng)作為替代熱源應(yīng)用于THs（圖1）。離子液體凝膠是一種典型的離子導(dǎo)體，是被大量離子液體溶脹的三維聚合物網(wǎng)絡(luò)。離子液體凝膠既具有聚合物網(wǎng)絡(luò)的柔性和可拉伸性，同時又具有離子液體的導(dǎo)電性、不揮發(fā)、熱化學(xué)穩(wěn)定、工作溫度范圍大以及電化學(xué)窗口寬等優(yōu)點。針對離子液體凝膠體系而言，通過調(diào)控聚合物網(wǎng)絡(luò)和離子液體之間的分子尺度相容性，獲得優(yōu)異性能的離子液體凝膠，有望完美解決傳統(tǒng)電子導(dǎo)體基THs的上述三個問題。因此離子液體凝膠是制備柔性THs的理想替代材料。

  鑒于此，西安交通大學(xué)胡建教授基于離子在交流電場下的焦耳熱效應(yīng)，提出了一種高可拉伸透明的離子液體凝膠基加熱器。離子液體凝膠基THs具有良好的機械穩(wěn)定性、高透光性（98%）、180 V的耐電壓性能、-50 ℃ ~ 250 ℃的耐溫性、3.6 ℃/s的加熱速率，且在彎曲（180^o）和拉伸狀態(tài)下（300%應(yīng)變）均可以保持均勻加熱。離子液體凝膠基THs的概念性驗證研究不僅拓展了離子液體凝膠的應(yīng)用空間，而且為傳統(tǒng)的電子THs技術(shù)提供了新的材料選擇和加熱原理。該研究以“Stretchable and transparent ionogel-based heaters”為題發(fā)表在最新一期《Materials Horizons》上。論文第一作者為張麗梅博士，西安交通大學(xué)胡建教授為通訊作者。論文第一單位為西安交通大學(xué)機械結(jié)構(gòu)強度與振動國家重點實驗室軟機器實驗室。

THs的加熱原理

  THs的加熱原理是基于焦耳熱效應(yīng)。傳統(tǒng)的電子THs中的導(dǎo)電材料為氧化銦錫（ITO）、銀納米線（AgNWs）、碳納米管（CNTs）和石墨烯等，但它們都是在直流電作用下產(chǎn)生焦耳熱，而離子THs是在交流電作用下產(chǎn)生焦耳熱，且對頻率有一定的依賴性。

圖1 THs的加熱原理示意圖

離子液體凝膠的制備

  將1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯離子液體（[C₂mim][EtSO₄]）、單體（丙烯酸-2-羥乙酯，HEA）、光引發(fā)劑（2-羥基-2-甲基苯丙酮，HMPP）和交聯(lián)劑（聚（乙二醇）二丙烯酸酯， PEGDA）按照一定的比例混合均勻，通過自由基聚合制備聚（丙烯酸-2-羥乙酯）（PHEA）離子液體凝膠（圖2）。在PHEA離子液體凝膠中，高分子鏈與溶劑具有較好的相容性，從而形成了均勻的透明彈性網(wǎng)絡(luò)；在PHEA離子液體凝膠體系中，無交聯(lián)劑存在時，單體的羥基氫被奪取形成活性中心，可以進(jìn)行自交聯(lián)反應(yīng)形成凝膠網(wǎng)絡(luò)。

離子液體凝膠的力學(xué)性能

離子液體凝膠的光、熱、電和粘附性能

  相比于傳統(tǒng)電子導(dǎo)電材料，離子液體凝膠這一離子導(dǎo)體材料具有突出的綜合性能（圖4）。電子導(dǎo)電材料在透明加熱器的應(yīng)用中面臨著透光性與導(dǎo)電性沖突的難題，而離子液體凝膠作為離子導(dǎo)電材料，其透光率在可見光范圍內(nèi)可以達(dá)到98%，并且與導(dǎo)電性無相關(guān)性（圖4a）。TGA測試表明了離子液體凝膠具有高的熱穩(wěn)定性，~250 ?C（圖4b）。離子液體凝膠對高分子材料和金屬材料均具有良好的粘附性（圖4c, d），這使得THs器件組裝變得簡易化，減少粘合劑等材料的引入，降低粘合劑等對器件性能的影響。此外，離子液體凝膠還具有良好的電學(xué)性能（圖4e, f），其電阻隨應(yīng)變變化曲線符合理想導(dǎo)體的理論計算曲線，其電阻在經(jīng)過700次循環(huán)加載-卸載實驗后仍舊可以保持穩(wěn)定，然而大多數(shù)的傳統(tǒng)電子導(dǎo)電材料卻很難在大變形和循環(huán)加載下表現(xiàn)出穩(wěn)定的電學(xué)性能。

圖4 離子液體凝膠的光、熱、電和粘附性能 

THs的加熱性能

  將離子液體凝膠按照圖5a所示組裝THs，由于電路中容抗的存在，THs的阻抗對頻率有一定的依賴性（圖5b），而在5000Hz以上高頻區(qū)時，THs的電容容抗可忽略不計，因此其阻抗不再隨頻率發(fā)生變化。THs的電流-電壓曲線表明THs具有寬的電化學(xué)窗口（圖5c），如在10⁴ Hz下THs的臨界電化學(xué)反應(yīng)電壓為180V，即驅(qū)動電壓低于180V時，THs中的界面極化是理想的，無電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。在不同的電壓和頻率下，THs展現(xiàn)出了不同的加熱性能（圖5d-g），加熱速率和穩(wěn)態(tài)溫度均隨驅(qū)動電壓和頻率的增加而增大，且相比于電子THs中導(dǎo)電填料結(jié)點或缺陷存在導(dǎo)致的局部熱點現(xiàn)象，THs具有優(yōu)越的加熱均勻性。另外，循環(huán)加熱-冷卻的穩(wěn)定性測試證明了THs的可靠性（圖5h）。因此，他們概念性地證明了離子液體凝膠基THs的可行性。

圖5 離子液體凝膠基THs的加熱性能 

THs的柔性和應(yīng)用展示

  離子液體凝膠基THs具有卓越的柔性和可拉伸性，如圖6a所示，離子液體凝膠基THs可以進(jìn)行180^o彎曲，甚至300%應(yīng)變拉伸，且在變形條件下仍可均勻加熱。在室溫下，利用離子液體凝膠基THs加熱燒杯中的水，可以將水在20分鐘內(nèi)從20 ^oC加熱到100 ^oC（圖6b）；在室溫和空氣環(huán)境中，利用離子液體凝膠基THs可以在30 s內(nèi)快速的除去冰霜（圖6c）。因此離子液體凝膠基THs可以滿足新一代柔性可拉伸電子設(shè)備所要求的大應(yīng)變性能，有望應(yīng)用于可穿戴設(shè)備、醫(yī)療康復(fù)設(shè)備和光學(xué)元器件中，實現(xiàn)抗凍、熱療、防霧和除冰功能。

圖6離子液體凝膠基THs的柔性和應(yīng)用展示

  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/MH/D1MH01775F

作者簡介

胡建，西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院教授、博導(dǎo)，入選學(xué)�！扒嗄臧渭馊瞬胖С钟媱潯盇類。2006年浙江大學(xué)化工系本科；2008年浙江大學(xué)化工系碩士；2012年日本北海道大學(xué)生物系博士，師從龔劍萍教授；2012-2015年在北海道大學(xué)化學(xué)系從事博士后工作。主要研究方向為高分子軟材料的合成、多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計、力學(xué)及多功能性能分析、智能軟材料器件等。已在Nature Materials、Nature Communications、JACS、Nano Letters、Materials Horizons、Small、Macromolecules等期刊上發(fā)表論文40余篇。