四川大学陈英红教授/广西大学石绍宏博士 CEJ：3D打印制造兼具热管理及电磁屏蔽性能的聚乳酸/石墨烯复合材料功能器件

2022-07-28 来源：高分子科技

第五代(5G)无线通信技术及便携式电子设备的发展给人们生活带来了便利，但日益严重的电磁辐射与干扰问题除了影响电子信息设备的安全性和可靠性外，还危害人体健康。此外，集成化、智能化电子器件在高频、高功率运行过程中，所面临的热传导和耗散问题严重。因此，亟待发展具有高效电磁屏蔽及热传导能力的功能材料及器件。石墨烯材料因具有卓越的电子传输能力，使其展现出优异的电磁屏蔽和热传导效率。本文为实现多结构、高性能功能器件的制备，创新引入3D打印增材制造技术，设计成型了系列结构多样化，且兼具热管理及电磁屏蔽性能的聚乳酸/石墨烯复合材料功能器件，这项工作为新型多功能器件设计与制备提供了新思路、新方法，也为3D打印技术在电磁辐射防护及热管理领域的创新应用奠定了重要基础。

本文要点：

1.3D打印多结构模型

为利用3D打印技术制造多结构的几何模型，本研究结合复合流体的粘弹性流动特征，对流体在3D打印微流道内的流动行为进行有限元模拟仿真(FES)分析。图1展示了打印流道的几何结构及流体在打印收敛区域的流速和剪切速率分布。图中显示，特定打印条件下，流体流速呈增加趋势；且在同一横截面上，对应流线的剪切速率均在同一个数量级内，表明流体在同截面上，不论是表层还是芯层，都保持平稳流动；离模前，流体剪切速率稳定，并形成剪切速率平台(约10² s^-1)。这一特征充分保证了流体平稳地离开打印流道，稳定沉积在基板上，实现多结构几何模型的定制化制造。据此，基于FES理论分析，利用3D打印技术，精确调控流体的流动行为，成型了具有不同几何结构的打印件，包括波浪、三角形、网格、砖块和六边形等。

图1. 基于FES指导打印成型的多样化结构件

2.3D打印热管理器件

面向热管理应用，3D打印成型了用于电子设备的散热组件。图2展示了散热组件的宏/微观结构及其热管理性能。图中可见，宏观尺度上，采用3D打印技术可实现目标组件的自由构建、定制成型；微观尺度上，打印单丝尺寸均一且规整，完全满足对结构的精细化制造要求。进一步，评价打印散热组件的热管理能力，实验结果表明，在引入石墨烯材料后，聚乳酸/石墨烯复合材料的散热效率显著提升。在预设热管理环境(金属和泡沫基板接触热扩散)下，石墨烯基复合材料的初始散热效率较纯聚合物分别提高了266%和121%，表观上，采集的最大温差接近45°。这些特征充分证明石墨烯基复合材料的优异热管理能力。复合材料的散热机制也同步如示意图所示，其形象地展示了基体内部石墨烯网络对材料热扩散的贡献作用，即在微/纳尺度上，除聚合物分子链间的热耦合散热外，石墨烯表面的自由电子不停地进行热运动，毗邻电子相互碰撞过程中，自发地将热能从高能区转移到低能区，从而实现了复合材料的高效传导和散热。

图2. 3D打印功能器件的热管理应用

3.3D打印电磁屏蔽器件

除热管理之外，作为概念验证，设计并打印了一组包含电磁屏蔽盒和屏蔽盖的便携式屏蔽模块，其主要针对民用通讯信号的电磁波辐射防护，包括5G通讯信号与无线蓝牙信号(2.4 GHz)。图3展示了屏蔽模块的结构及对电磁波信号的屏蔽性能。其中，屏蔽模块的内部由蜂窝状结构堆砌而成，独特的几何结构有利于电磁波的内部反射与吸收。进一步，验证了该模块的电磁屏蔽特性，通过对蓝牙信号阻断评估，证实其对特定信号波段(2.4 GHz)具有理想的屏蔽功效；理论测试结果也表明，其在1.7 ~ 2.6 GHz和4.0 ~ 6.0 GHz频段内，电磁屏蔽效能(EMI SE)均高于30 dB，优于当前商业屏蔽标准。总体而言，该工作有望为服务于现代电子工程的新型多功能器件设计制造提供新思路、新方法。

图3. 3D打印功能器件的电磁屏蔽应用

相关工作以“3D printed polylactic acid/graphene nanocomposites with tailored multifunctionality towards superior thermal management and high-efficient electromagnetic interference shielding”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上，文章通讯作者为四川大学陈英红教授，第一作者为广西大学石绍宏助理教授。该研究工作得到四川省国际科技创新合作项目(2021YFH0088)、成都市国际科技创新合作项目(2021-GH03-00009-HZ)、广西省自然科学基金项目(2022GXNSFDA035065)、广西创新驱动项目基金（No. AA17204087-16）及四川大学工科共性学科特色方向项目(2020SCUNG203)的支持。

原文链接：https://authors.elsevier.com/c/1fTdq4x7R2ccP5

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（责任编辑：xu）

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