针对现有软离子导体较少兼具力学稳定性及环境稳定性的问题,浙江大学工程力学系曲绍兴教授与贾铮教授课题组研发了一种新型离子液体凝胶,该材料可在潮湿环境与力学载荷长期作用下保持稳定,成果以《Ambiently and Mechanically Stable Ionogels for Soft Ionotronics》为题发表在材料领域知名期刊Advanced Functional Materials上。他们将酯类单体乙二醇甲醚丙烯酸酯(MEA)、丙烯酸异冰片酯(IBA)和离子液体1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐([C2mim][NTf2])混合(如图1a所示),通过自由基聚合的方法,制备了一种新型的离子液体凝胶。该材料中高分子网络与离子液体间可形成氢键,使得离子液体不易泄露,而该离子液体的疏水性赋予了离子液体凝胶在潮湿环境中的稳定性。该离子液体凝胶的导电率在10−4 - 10−5 S cm−1之间(图1b),拉伸性超过2000%(图1c),且具有良好的回弹性(图1d-e)。 图1. 新型离子液体凝胶的基本物理性质。 稳定性方面,该新型离子液体凝胶的分解温度约为200℃(图2a),在100℃的高温环境下可以长时间(连续测试时间为5天)保持稳定的重量(图2b);该离子液体凝胶还具备较好的抗低温能力,其玻璃化转变温度可低至-60℃(图2c),因此该材料在低温(-30℃)下仍表现出良好的弹性行为(图2d)。为展示材料的环境与力学稳定性,作者对比了该离子液体凝胶和PAAm水凝胶(含8mol/L氯化锂)在25℃、相对湿度90%环境下的重量变化:长时间暴露在90%的相对湿度下,该离子液体凝胶的重量几乎没有变化,相比之下,水凝胶的重量变化可达300%左右;在约4 kPa的压力作用下,该离子液体凝胶的重量仍几乎不变,相比之下,水凝胶在同等的条件下会逐渐失去原重量20%-30%的水分。 图2.新型离子液体凝胶的力学稳定性与环境稳定性。 电学性能方面,该离子液体凝胶在空气环境中放置24小时后可以保持95%以上的导电率(图3a-b);相比之下,未经保护的水凝胶经过24小时则会基本失去导电性(图3c-d)。该离子液体凝胶的高热稳定性和抗低温能力,使得该材料在高温和低温(-45℃至100℃)环境下均具导电性(图3e)。除此之外,该材料的电化学窗口为3.5伏,远高于基于水凝胶的离子导体的电化学窗口(图3f)。 图3.新型离子液体凝胶的电学性能。 力学性能方面,当拉伸应变率在0.07-0.27 s-1之间变化时,该离子液体凝胶的断裂应变均超过2000%(图4a)。当共聚物和离子液体的配比在4:1-1:1之间变化时,该离子液体凝胶的杨氏模量在102-20 kPa之间,强度介于752和125 kPa之间(图4b);断裂功和断裂韧性分别在4.85-0.85 MJ/m3和2350-880 J/m2之间,相应的断裂内聚长度在0.51-1.03 mm之间(图4c-d)。除此之外,该材料和玻璃、VHB、金属及部分共聚物可以形成较强的粘接(图4e-f)。 图4. 新型离子液体凝胶的机械性能。 为展示该材料可用于设计软离子器件, 作者开发了一种集成摩擦纳米发电机与电容式传感器的新型离子皮肤(图5),该离子皮肤可以将多种外部激励(压缩、拉伸、温度等)同时转换为电阻、电容、开路电压和短路电流等多种电学信号。该设计可为未来自供电式离子器件的开发提供技术支撑。 图5. 基于新型离子液体凝胶的多功能离子皮肤。 浙江大学航空航天学院博士生布热比·依明为本文第一作者,贾铮教授为本文通讯作者。贾铮(https://person.zju.edu.cn/zhengjia)是国家级青年人才项目入选者,现任职浙江大学航空航天学院工程力学系。研究领域为软物质与柔性结构力学。迄今为止在国际SCI期刊上发表论文40余篇,其中作为第一作者或通讯作者在Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、PNAS、Nano Letters、ACS Nano、Journal of the Mechanics and Physics of Solids等国际刊物上发表论文20余篇。获2019年Extreme Mechanics Letters青年学者奖等国际奖项。学术兼职方面,担任力学国际网络论坛iMechanica的旗舰栏目Journal Club的主编(2020-2021)、浙江省力学学会固体力学专委会秘书长等职务。贾铮教授课题组现诚招高分子材料及力学背景的博士后,有意者请将个人简历(pdf)发送至贾铮教授邮箱zheng.jia@zju.edu.cn,邮件标题请注明“博士后申请+姓名+毕业学校”。 论文链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202102773
参考文献:
基于雨滴能收集的TENG(RDE-TENG),目前已用于建筑物、车辆玻璃、雨具、屋顶、帐篷和植物等。然而这些RDE-TENG仍存在两个局限性,一是水分子对器件表面的粘附,二是低的输出效率,因此需要对现有的RDE-TENG进行结构升级以提高其输出性能。 基于此,浙江大学智能生物产业装备创新团队(IBE)平建峰研究员课题组提出了一种新式的用于农业环境中雨滴能收集的RDE-TENG。该RDE-TENG直接使用最常用的温室薄膜作为摩擦层材料,并通过感应耦合等离子体技术对薄膜表面进行超疏水改性,以赋予温室薄膜超疏水和自清洁的能力。研究发现这种处理方式没有显著降低温室薄膜的透光性。接着,相较于传统的单电极模式工作的RDE-TENG而言,改进了电极结构,采用薄膜上下表面双电极的布置,这样基于下电极/薄膜/上电极之间的体效应(bulk effect)取代了传统液固界面的界面效应(interfacial effect),从而促进了电荷转移,提高RDE-TENG的输出性能。 图1. 基于温室薄膜的RDE-TENG用于构建自供电智能温室 图2. 改性温室薄膜的形貌表征。 未处理温室薄膜和不同参数ICP处理温室薄膜的表面粗糙度(a)、表面粗糙度和薄膜厚度变化(b)、SEM表征(c)、XPS表征(d)、EDS表征(e)、XPS和EDS表征下C/F比变化(f)。 图3. 改性温室薄膜的超疏水性能和透明度表征。 (a)未处理温室薄膜和不同参数ICP处理温室薄膜的水滴静态接触角。(b)超疏水改性温室薄膜的自清洁性能表征。(c)未处理和超疏水改性温室薄膜的透明度。(d)旋涂透明电极的超疏水改性温室薄膜。(e)RDE-TENG的制备流程。(f)用于雨滴能收集的RDE-TENG工作装置图。(g)RDE-TENG平面图。 图4. 不同降雨参数下RDE-TENG 的输出表现。 UT/RDE-TENG(a)和ICP-3/RDE-TENG(b)不同高度下落水滴下的输出表现,下落水滴频率控制在2 Hz。UT/RDE-TENG(c)和ICP-3/RDE-TENG(d)在不同频率下落水滴下的输出表现,下落水滴高度控制在15 cm。 综上所述,构建了全透明、超疏水和自清洁的 RDE-TENG 以实现自供电智能温室。超疏水改性温室薄膜作为摩擦负电层材料,以构建用于雨滴能量收集的 RDE-TENG,此外优化电极布置结构,避免了液固界面的界面屏蔽效应,显著提高了输出性能。所制备的 RDE-TENG 具有高且稳定的摩擦电输出,可用作温室环境监测设备的可靠电源,实现自供电绿色感知,便于及时采取措施将环境参数恢复到有利于植物生长的范围内,这对指导农业生产具有重要意义。此外,受本研究启发,其他的农用膜也可用于绿色能源开发领域,助力于在农业互联网(IOA)时代通过给各种农业用电子设备供电,以构建可持续的、自供电的智能农业。 原文链接: https://doi.org/10.1021/acsnano.1c04258
金属表面常常会有油脂、油污等有机物及氧化层,在进行溅射、油漆、粘合、键合、焊接、铜焊和PVD、CVD涂覆前,如果要求比较高,如果想要得到更好的效果,就有必要用等离子处理来得到洁净和无氧化层的表面。
通常,如想要金属材料能够达到一定的焊接质量,可以在焊接前对焊缝处进行一定的清洗,比如使用人工棉布擦拭和清洁剂清洗,不过往往还达不到理想的焊接效果或环保的要求,引入常压等离子清洗机的表面处理则更为清洁彻底,就可以使状况大为改观
对金属材料进行等离子表面处理,能够将材料表面的纳米级油污、氧化物和水锈等物质清除
通常处理的地方主要是两个方面,一个是去除磷化的表面有机层,另一个是去除氧化物
使用等离子清洗机可以使被有机物污染表面会受到离子轰击;在真空和瞬时高温状态下,污染物部分蒸发;并且在高能量粒子的冲击下污染物被击碎并被真空带出。
金属氧化物会与处理气体发生离子反应,处理的气体通常为氩气和氢气。有时也采用两步处理工艺。第一步先用氧气氧化表面5min,第二步用氢气和氩气混合物去除氧化层。也可以同时用几种气体进行处理。经过等离子清洗机处理之后,再对金属进行一系列的操作,其合格性就要提高的多。
文章出自:物理学报 气体放电产生的等离子体是集成电路制备不可或缺的关键技术,利用等离子体中活性粒子赋予的独特的物理和化学特性,可为超大规模集成电路制备提供具有定向性、选择性和纳米级精细性的绿色先进加工技术,大规模应用于其沉积、刻蚀、封装、清洗等工艺制程。在材料表面改性、新材料制备、生物灭菌消毒、等离子体隐身、医疗器具及人造器官的清洗、臭氧生成、新型光源、废弃物处理等领域也具有极其重要的应用前景,其低温加工的特性使其成为柔性可穿戴智能材料和器件最合适的加工技术之一。 等离子体材料处理技术与等离子体和材料的相互作用密切相关。不同的等离子体源及其放电设计具有不同的等离子体温度、密度、活性种类和结构特性,适应不同种类的材料处理;不同种类的材料处理对等离子体特性也有不同的要求,并且反过来影响等离子体放电的过程和特性。因此需要深入研究等离子体放电技术、等离子体特性诊断、等离子体材料处理的机理等,特别是针对各种应用需求建立其与等离子体特性的关联与机制,促进等离子体材料处理技术在精细加工、新材料制备等各领域的应用。研究方法包括理论数值模拟、诊断和实验研究。 等离子体放电及与材料相互作用示意图 鉴于等离子体放电与材料相互作用领域关键物理问题研究的挑战性与紧迫性,《物理学报》特组织“等离子体物理及其材料处理”专题,邀请国内部分活跃在该领域前沿的专家撰稿, 以综述和研究论文的形式,从等离子体物理及其材料处理的角度,较全面、深入地探讨该领域最新研究成果。主要有以下三方面内容: 1) 等离子体放电基本过程和机理研究, 包括低气压感性耦合等离子体源模拟研究进展、大气压脉冲放电等离子体射流特性及机理研究、常压针-板放电等离子体密度演化研究;2) 等离子体特性与诊断研究,包括容性耦合等离子体中电子加热过程及放电参数控制、电非对称双频容性耦合 CF4/Ar 放电电极间距对放电模式和刻蚀剖面影响的研究、基于前馈神经网络的等离体光谱诊断方法研究;3)等离子体材料相互作用研究,包括非热等离子体材料表面处理及功能化研究进展、常压等离子体对柔性多孔材料表面处理均匀性的研究进展、多孔材料的低温刻蚀技术、等离子体制备自修复超疏水涂层纤维、大气压电晕等离子体射流制备氧化钛薄膜的研究、等离子体对石墨烯的功能化改性、螺旋波等离子体制备多种碳基薄膜原位诊断研究、等离子气化技术用于固体废物处理的研究进展。 希望本专题能促进等离子体物理及其材料处理技术的进步,以及与各交叉研究领域的交流,扩大国内等离子体物理及其材料处理研究的影响,推动该领域研究的蓬勃发展。