“三明治”结构的透气、柔韧导电复合膜

传统的电子产品结构中多有大量的硅、金属、玻璃等刚性材料组成，使其在柔性、延展性、可弯曲/扭曲性以及抗冲击方面有着极大地应用局限性。开发应用高性能可拉伸导电材料是发展质轻、可穿戴、柔性电子器件的关键。目前，系列柔性导电海绵状材料、水凝胶、无纺布、薄膜及纤维材料被广泛用于能源存储、致动器件、传感、电子皮肤及柔性机器人等诸多应用领域。但是，兼具高应变特性及高导电性的柔性材料或复合材料体系在柔性电子器件构筑方面仍存在极大地应用需求。

近日，德国拜罗伊特大学Andreas Greiner和Markus Retsch等研究者以多孔热塑性聚氨酯（TPU）为柔性基底、以银纳米线（AgNWs）为导电网络体系简便实现了兼具高柔韧性及低电阻的“三明治”结构复合导电材料的构筑。该新型复合导电材料体系能够耐受弯曲、扭曲、大幅度拉伸等机械形变，断裂应变达700%；同时该复合体系表面电阻<0.1 (±0.01) Ω sq^-1，在＜100%应变条件下体系导电性能基本保持稳定，在＞100%应变条件下展现出可逆的机械响应性电阻变化。

“三明治”结构柔性导电复合膜制备过程示意图。图片来源：Adv. Funct. Mater.

研究团队首先采用静电纺丝技术制备柔性、多孔TPU膜为基底，进一步在TPU膜基底上抽滤沉积AgNWs（直径126 ± 10 nm，长度18 ± 4 µm）构筑导电网络，最后静电纺丝TPU进行封装、热压（75 °C、30 min）得到具有“三明治”结构的复合导电膜材料体系。SEM表面及截面形貌测试表明：静电纺丝形成的TPU纤维直径~1.6 ± 0.5 µm、AgNWs体系具有良好的连续网络结构，多层膜之间具有较好的粘附性、膜孔径1.5~0.9 µm。

复合导电膜形貌及结构表征。图片来源：Adv. Funct. Mater.

静电纺丝构筑的TPU多孔膜表面电阻高达6.1 ± 0.3 × 10⁸ Ω sq^-1，引入AgNWs层后体系电阻可降低至0.09 Ω sq^-1；研究表明AgNWs添加量介于0.5- 1.2 wt%时可形成良好导电网络。该复合导电体系具有优异的耐热性，100 °C加热60 h体系导电性能稳定；且复合膜体系展现出优异的透气性。同时，该复合体系的断裂强度达8 MPa、最佳断裂伸长率达700%；体系在不同应变条件下，体系形貌（结构）产生细微变化（＜150%应变无裂纹产生），低应变条件下体系导电性能也基本维持稳定。

复合导电体系机械性能及应变条件下形貌变化测试。图片来源：Adv. Funct. Mater.

为进一步评估不同应变条件下中间AgNWs导电网络的结构变化，研究团队采用锁相热成像技术对体系热扩散系数进行系统分析。在低应变条件下AgNWs体系呈现高度连续取向结构；高拉伸应变条件下AgNWs体系的热传导呈现各向同性，表明高应变条件下AgNWs导电网络断裂形成了局部孤岛状结构，使得体系导电性降低。

应变条件下AgNWs导电网络结构变化评估。图片来源：Adv. Funct. Mater.

复合导电膜体系优异的机械性能，使其在低应变条件下展现出优异的可拉伸、弯曲等形变性能。100余次的拉伸-回缩、弯曲测试，体系导电性能维持稳定；在实际的柔性电子器件（线路）应用中也展现出优异的实用性。同时，体系的应变电阻变化幅度可基于AgNWs添加量进行精细调控，使得该复合体系在柔性传感器件构筑方面存在极大地应用潜力。

复合导电膜柔性电子器件应用测试。图片来源：Adv. Funct. Mater.

总结

通过将多孔热塑性弹性体与AgNWs导电网络体系复合，研究团队构筑了“三明治”结构高性能、柔性复合导电材料。研究中采用的静电纺丝、抽滤沉积技术便于复合材料体系的大面积制备及分层膜结构精细调控；该复合导电膜体系展现出优异机械性能、柔性及导电性，在智能可穿戴电子器件及软体机器人制造方面具有广阔的应用前景。

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Breathable and Flexible Polymer Membranes with Mechanoresponsive Electric Resistance

Qiang Gao, Bernd A. F. Kopera, Jian Zhu, Xiaojian Liao, Chao Gao, Markus Retsch, Seema Agarwal, Andreas Greiner

Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.201907555