基于金属纳米线及MXene材料的导电弹性体的研制及其应用研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:llqyf
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近年来兴起的柔性电子器件能够在复杂形变下保持稳定工作,因此在运动感应、个人健康监测、和人机界面交互等方面取得新的应用。其中的导电弹性体是一种具有良好电学稳定性且力学性能良好的复合材料。与传统的电学性能优异的无机非金属和金属材料相比,它的显著优势是在弯曲、拉伸等形变下仍然能够保持良好的导电性。因此,导电弹性体在柔性电子器件的制备与组装中发挥着至关重要的作用,是器件在形变下保持电学、力学性质稳定的关键。金属纳米线及MXene等低维导电纳米材料由于具有优异的电学性能和良好的本征力学柔性,成为制备导电弹性体的重要备选材料。基于导电弹性体的柔性可穿戴电子设备从应用上可以分为可拉伸电极和柔性传感器件两大类。导电弹性体最直接的应用是作为可拉伸电极,其电学性能不受形变和环境的影响,能够令柔性电路稳定导通,使得刚性设备组件在形变下保持性能的稳定。可拉伸电极可应用于柔性纳米发电机、以及柔性储能、驱动和电加热器件中。导电弹性体还可应用于柔性传感器件,其电学性能随着形变和环境的变化而改变,能够赋予各种可穿戴电子设备感知外部环境并做出响应的功能,实现对应变、温度,以及压力、湿度的传感响应。导电弹性体的制备是通过将导电材料嵌入弹性基体内部或贴附于弹性基体表面而实现的。在导电材料和弹性基体间,往往存在各种弹性模量不同的界面,不同材料间的界面结合性以及界面的微结构与受力后的变化情况均对导电弹性体的性能起着关键作用。目前,研究者们的工作主要集中在选取或制备具备优异电学性能的导电材料和良好机械性能的弹性基体,并以一定方式结合起来,制备了大量的具有不同电机械性能的导电弹性体。然而,由于缺乏对于界面结合机制的研究,难以全面地解释这些导电弹性体性能差异的根本原因,不利于导电弹性体的进一步发展。另外,电子设备离不开能源供给。然而,传统的能源结构和供应模式与柔性电子器件的使用不匹配,寻求适合的能量收集与转换方式是支持可穿戴电子系统运行需要解决的关键问题。此外,目前导电弹性体在传感领域的应用研究主要集中在对应变或压力等机械刺激的响应。相比之下,关于感知其他外界刺激(如温度和湿度等)的研究仍然较少。温度响应在感知环境变化和调节人体体温方面起着不可替代的作用,对温度传感器的进一步研究在实现多功能感知系统中具有重大意义。基于以上背景,本论文采用了银纳米线和MXene等低维导电纳米材料,设计制备了可应用于可拉伸导电连接和柔性应变传感器的双功能导电纤维、能够对机械刺激实现自供能传感的纤维摩擦纳米发电机,以及可以感应温度变化和接近物体的柔性温度传感器,系统研究了各种器件的性能,分析了工作机理。具体的研究内容、方法和结论如下:(1)基于银纳米线的双功能导电纤维提出一种具有鞘芯结构的银纳米线/聚氨酯导电纤维的简便制备方法。通过在导电材料和弹性基体间引入可调控的界面结合层,研究了界面结合对导电纤维性能的影响。提出一种界面结合模型,阐释了银纳米线网络嵌入深度不同的导电弹性体的导电性、可拉伸性,以及应变下相对电阻的变化规律。通过调控界面结合强度,分别制备了在60%应变下电阻对应变高度敏感(灵敏度系数高达650)和在150%应变下几乎无电导率衰减的导电纤维,展现其在可穿戴应变传感器和可拉伸导电连接方面的应用潜力。(2)基于Ti3C2Tx的纤维摩擦纳米发电机为了开发适用于柔性电子的新型能源供应方式,以及实现对机械刺激的自供能传感,设计了一种基于Ti3C2Tx的纤维状柔性摩擦纳米发电机。Ti3C2Tx呈负电性,其表面在与其他材料的接触过程中易吸引电子,因此被选择作为一种摩擦材料。通过银纳米线和PEDOT:PSS的添加及可拉伸结构设计,制备了具有低电阻(3Ω/cm)和高拉伸稳定性(在100%应变下电阻稳定)的Ti3C2Tx复合纤维。外围螺旋缠绕的Ag NW/Ecoflex导电织物作为另一种摩擦材料和电极。当设备受到拉伸或压缩应力时,两种吸引电子能力不同的摩擦材料发生接触分离,从而产生发电效果。纤维摩擦纳米发电机在压缩作用下能产生高达16 V的开路电压,可拉伸范围高达120%,并且输出信号随应变增加而上升,有望应用于对人体活动的自供电传感中。(3)基于Ti3C2Tx的柔性温度传感器为了开展导电弹性体在温度传感领域的应用研究,设计了一种基于Ti3C2Tx薄片-颗粒杂化网络和PDMS基体的柔性温度传感器,具备可调控的灵敏度和响应范围。通过调控合成工艺,可以获得具有不同形貌尺寸的Ti3C2Tx薄片与颗粒作为传感材料。柔性温度传感器在测试中展现了优异性能,具备高灵敏度(灵敏度系数高达986 oC-1)和宽响应范围(140 oC),这两项参数均超过大部分已报道的基于导电纳米材料的柔性温度传感器。该传感器还可以应用于电子皮肤,实现接触和非接触模式下的温度监测。此外,还能够感知紫外及红外光线的照射,拓宽了在非接触检测中的应用范围。最后,将传感器组装为4×4的传感阵列,成功实现了对各种接近物体形状与温度的检测,展现其在个人健康监测和人机界面交互中的应用前景。
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