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发布时间:2021-12-20 10:02:42

Advanced Functional Materials:三维互连导电石墨纳米板焊接碳纳米管网络可拉伸传感

在不同机械变形下具有稳定导电性的可拉伸导体对于下一代便携式和柔性电子产品(包括可穿戴显示器、可变形天线、软机器人、柔性电池、可拉伸电容器和电子皮肤等)的开发至关重要。目前,制备柔性可拉伸导体主要有两种策略,一是制备柔性的导电聚合物,二是将导电填料加入弹性体中生产导电复合材料。由于导电聚合物存在成本高、稳定性差和拉伸性有限等缺点,在制备高性能的可拉伸导体方面仍具挑战。目前报道的柔性导电复合材料表现出良好的机械拉伸性能,但在拉伸应变下导电网络的断裂会使电阻迅速增加。此外,由于导电网络的不稳定性,重复拉伸和弯曲可能导致导电性显著降低,从而限制其作为可拉伸导体的应用。因此,对于传统的导电复合材料来说,实现高导电性和可拉伸性仍然是一个挑战。

为解决这一问题,香港中文大学(深圳)的郑庆彬教授团队联合天津大学的封伟教授团队在《Advanced Functional Materials》发表题为“3D Interconnected Conductive Graphite Nanoplatelet Welded Carbon Nanotube Networks for Stretchable Conductors”的文章。 设计了一种微观焊接加固策略,通过对三维碳管网络的连接界面进行桥连焊接,构建出了一种连续的焊接增强三维导电网络(GNP-w-CNT)。结果显示,将聚酰亚胺层沉积在碳管网络的骨架上,再通过高温碳化将其转变为高结晶性的石墨结构,可以实现对碳管内部界面的显著增强,从而提高三维网络结构的完整性和稳定性,显著降低了相邻碳管之间的接触电阻。同时,通过进一步封装柔弹性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)可以获得高导电性的复合材料(GNP-w-CNT/PDMS)并表现出良好的拉伸性能和导电性。GNP-w-CNT网络的嵌入使得PDMS基体具有5.7 MPa的拉伸强度和210%的超高拉伸性能。同时,GNP-w-CNT/PDMS复合材料在1000次拉伸-松弛循环后也表现出良好的循环加载稳定性。同时,其在大幅度拉伸变形下依旧能够保持良好的导电性,如在150%应变下,GNP-w-CNT/PDMS的电阻仅略微增加约20%。这是因为在拉伸状态下,焊接结构能够锚固相邻的碳管,使其发生自身结构的舒展而非结构的破坏来实现对应变的释放,从而保持导电网络的连续性。这种稳固的导电网络使得复合材料的电阻在应变卸载后几乎可以恢复到初始值。同时,GNP-w-CNT/PDMS复合材料的导电性具有显著的重复性,即使在1000次循环后仍保持稳定。

 
3D Interconnected Conductive Graphite Nanoplatelet Welded Carbon Nanotube Networks for Stretchable Conductors
Advanced Functional Materials, 2021, 2107082 (DOI: 10.1002/adfm.202107082.)