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您当前的位置：首页>学科进展 > 正文 Rare Metals 华中科技大学黄永安：耐高温柔性电子器件的崛起发布时间：2023-04-26收藏本文关闭本文 耐高温柔性电子器件的崛起周赟磊，成文娜，白云昭，侯超，厉侃*，黄永安*华中科技大学机械科学与工程学院 【文献链接】Zhou, YL., Cheng, WN., Bai, YZ. et al. Rise of flexible high-temperature electronics. Rare Met. (2023). https://doi.org/10.1007/s12598-023-02298-w 【背景介绍】柔性高温电子学是高温电子学的一种柔性形式，它拓展了传统柔性电子学的应用领域。在航空航天应用中，电子设备不仅需要具有可变形性，而且还要能够承受极端温度。另外，现有柔性电子产品的缺点，如成本高、元器件差异大、甚至需要独立调试，对于附加价值极大的航空航天领域来说都是可以接受的。近年来，柔性高温材料得到了极大的发展，柔性高温电子学也开始出现。为了更好地了解这一领域，我们介绍了它们的设计原理和一些最新的显著成果，并讨论了未来的应用前景。 【内容简介】日前，华中科技大学机械学院黄永安教授课题组在Rare Metals上发表了题为“Rise of flexible high-temperature electronics”的观点文章， 阐述了柔性耐高温电子器件的发展趋势，指出其是柔性电子未来的重要方向之一。柔性电子经过二十多年的发展已经逐步开始从实验室研发阶段走向市场化的阶段，柔性电子产品的全球市场预计将以两位数的速度增长。经过材料科学，力学，机械工程、电子工程，化学，物理等多领域科学家通力合作，柔性电子器件已经在健康检测、机器人、医疗器件、曲面显示、能源存储等多领域发挥了重要作用。2018 年，SpaceX 开始了一项将人类送上火星的任务，开启了人类飞行器发展的新的一页。飞行器成本高、个性化定制程度强等特点与柔性电子器件不谋而合。特别是随着智能航天器的发展，飞行器异形结构健康监测、飞行环境参数以及飞行姿态等重要信息实时感知的需求给柔性电子器件带来了新的发展机遇。飞行器蒙皮与发动机的电子系统需要满足承受高温的能力，甚至达到500℃以上，这对基于聚合物的柔性电子器件带来了巨大的挑战。最近，基于陶瓷基的柔性耐高温材料得到了巨大的发展，最大可承受应变达到了100%以上。同时，基于金属和金属氧化物柔性电极也展现出了强大的耐高温能力。柔性电子器件已经不再谈温色变，同时柔性电子现有的器件之间差异较大，甚至需要单独调试等缺点对于飞行器等高附加值领域来说都是可以接受的。为了更好地了解快速发展的耐高温柔性电子器件，在这篇文章中，黄永安团队介绍了最近的柔性高温电子器件的重要进展，讨论了未来的发展方向。传统柔性聚合物材料很难在高温下工作，即便是经过特殊合成的PI工作温度一般也不超过400℃。陶瓷材料一般认为是能够在超高温以及反应性气氛中物理化学稳定，具有良好的抗氧化、抗热震和抗烧蚀的能力。尽管超薄的陶瓷薄膜也可以用来制备可轻度弯曲的电子器件，然而陶瓷材料固有的脆性限制了其在柔性电子领域的应用。同普通的块状材料相比，纳米陶瓷结构表比面积大，长径比高从而具有弯曲的能力，缠绕的纤维网络结构进一步增强了材料可承受应变的能力。直接堆集的蓬松陶瓷纤维缺乏有序结构设计和纤维之间的稳定交联，导致可承受应变的能力有限，将陶瓷纤维定向排布成有序微结构是实现陶瓷材料具备可承受大应变的有效方法。通过溶液吹纺法、冷冻干燥法，牺牲模板法和化学气相沉积法可以实现陶瓷随机分布结构、各向异性二维有序结构、周期性排列的3D有序结构等。耐高温柔性材料的发展为耐高温柔性电子器件的实现提供了先决条件，如何实现耐高温材料力学性能的提升依然是未来研究的重要方向。柔性耐高温导电材料同样是柔性电子器件的重要一环，总体来说，传统柔性电子有相当一部分可以直接适用于高温柔性电子，但针对500℃以上的高温，仍然需要进一步研发出稳定且具有可承受应变能力的导电材料。在400℃以内，与传统柔性电子系统相融合的耐高温的PI基传感器占据着主要地位，基于Pi基的耐高温压力传感器，温度传感器、应变传感器等都有很多研究。针对500℃以上的高温环境，云母陶瓷气凝胶等陶瓷基柔性基底占据主导地位。当前柔性高温电子尽管已经有了很多发展已经展现出一定的应用潜力，在温度、压力、应变多场景都有所发展，但整体应用依然处于初步阶段。此外，在耐高温柔性电子器件各个部分中，柔性耐高温基底材料最近几年得来了极大地发展，但与柔性电子器件功能结合还很少，还需要不同领域的研究人员更多的交叉合作。最后，柔性高温器件，特别是500℃以上，与常温柔性电子器件有着极大的不同，需要包括航空航天、材料科学、物理、化学在内的多个学科中都需要新的理解和技术。 (资料来源：) |
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