中科院福建物構(gòu)所：基于離子凝膠彈性體3D打印的自修復電子皮膚

來源：高分子科技

導電彈性體在人造皮膚、電致發(fā)光器件、可穿戴設(shè)備和微納發(fā)電機等多功能柔性電子器件領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢。彈性體作為一種新型的導電材料，能夠探測到拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等引起的外界刺激，并將其轉(zhuǎn)化為相應的電阻、電容、電流等電信號。目前，大多數(shù)報道的導電凝膠彈性體主要分為水凝膠基和離子凝膠基兩種。前者因其優(yōu)異的機械和電氣性能而受到青睞，但由于溶劑容易蒸發(fā)而失去了電子器件的功能。后者主要由離子液體(ILs)組成，盡管具有可忽略不計的蒸汽壓和非揮發(fā)性，但仍有液體泄漏的危險。此外，導電添加劑(如:(如導電聚合物、碳基材料、金屬材料)通常被添加到彈性體基體中，以賦予柔性材料卓越的導電性。然而，導電填料的引入伴隨著機械性能和電氣性能之間的權(quán)衡，因為這兩種性能在材料系統(tǒng)中經(jīng)常是矛盾的。因此，制備一種具有良好穩(wěn)定性、機械性能和電性能的多功能柔性傳感器仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

圖1. 雙網(wǎng)絡(luò)LFCIg的合成原理及物理性能。

近期，中國科學院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所官輪輝研究員團隊基于深度共晶溶劑(DES)的雙網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法，制備了一種性能優(yōu)異的無液體導電離子凝膠(LFCIg)。通過調(diào)整DES中各組分的含量，獲得了具有優(yōu)異性能的導電彈性體，包括優(yōu)異的機械強度(2100%應變，同時保持1.23 MPa斷裂強度)、優(yōu)異的導電性(23.3 mS m-1)和優(yōu)異的3D打印性能。同時，LFCIg還具有非揮發(fā)性、自愈性等特性，為柔性電子器件的穩(wěn)定性錦上添花。這是迄今為止報道的性能最全面的無液體離子凝膠之一。此外，基于LFCIg的柔性拉伸應變傳感器已被開發(fā)用于識別機器人的手勢形式，該傳感器可以快速將機械刺激轉(zhuǎn)換為電信號，以展示柔性可穿戴設(shè)備的潛在應用。有趣的是，具有觸覺感知功能的電子皮膚是通過在柔性電極上原位3D打印傳感器陣列形成。電子皮膚的觸覺感應系統(tǒng)展示了其檢測輕微重量物體并識別由此產(chǎn)生的空間壓力變化的能力�？傊�，材料的優(yōu)異性能和增材制造工藝的靈活應用為柔性電子器件在可穿戴和智能方向的發(fā)展提供了廣闊的前景。

圖2 LFCIg的機械性能和自愈合性能

圖3.基于LFCIg的電阻式傳感器機電響應

圖4.基于微結(jié)構(gòu)設(shè)計的3D打印LFCIg制造。

圖5. 基于LFCIg的電容式電子皮膚觸覺傳感系統(tǒng)

該工作以“A Liquid-Free Conducting Ionoelastomer for 3D Printable Multifunctional Self-Healing Electronic Skin with Tactile Sensing Capabilities”為題發(fā)表在《Mater. Horiz.》上。文章第一作者是福州大學機械學院-中科院福建物構(gòu)所聯(lián)合培養(yǎng)博士吳啟銳。通訊作者為中科院福建物構(gòu)所的黃建仁博士和官輪輝研究員。

該工作得到國家自然科學基金的資助。福州大學機械學院楊曉翔教授對該研究提供了幫助和指導。

該工作是官輪輝研究員團隊近年來在多功能納米復合材料的制備及應用與柔性可穿戴電子器件的設(shè)計及制造的相關(guān)研究中取得的進展之一。團隊從復合材料的傳感特性研究及多物理量響應機理分析出發(fā)（J. Mater. Chem. A 2021, 9, 23243.）,通過多尺度的彈性體的結(jié)構(gòu)化設(shè)計及規(guī)模化傳感器陣列加工制造開發(fā)了一系列可穿戴和功能器件（J. Mater. Chem. A 2023, 4977.；Mater. Horizons., 2023, 10, 1012；Chem. Eng. J. 2022, 454, 140328；Advanced Science, 2023: 2301116），利用先進集成工藝實現(xiàn)了基于柔性功能元件與儲能器件的自供能傳感系統(tǒng)的開發(fā)（Mater. Horizon., 2020, 7, 2085-2096；；J. Mater. Chem. A., 2021, 9, 16345-16358；Adv. Funct. Mater., 2022, 2205708）。


原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D3MH00612C