Small Science:混合填料可拉伸导电复合材料——从制备到应用

可拉伸导电复合材料(SCC: Stretchable Conductive Composite)通常由绝缘聚合物弹性体以及分散在其中的导电填料组成。它们将金属和碳材料的导电性与聚合物的柔韧性成功结合在了一起。由于能够在各种大机械变形下保持高导电性,这类导电复合材料广泛用于软机器人,可穿戴设备,柔性传感器等各种可拉伸电子产品中(图1)。

图1. 可拉伸导电复合材料的制备和应用。

大多数SCC仅填充单一种类的导电填料,被称为单填料复合材料。它们往往面临着填料自身带来的缺点,例如机械强度低,拉伸性差,填料分散不均匀,导电性差,易氧化等等。为了解决这些问题,近些年的许多研究都向复合材料中引入了辅助填料来增强材料的物理或化学性能,这些材料被称为混合填料复合材料。辅助填料可以为复合材料带来诸多好处。首先,它们可以通过分散或桥接主填料来增强复合材料的电导率。其次,辅助填料还可以改善复合材料的导热性或机械性能。此外,通过选择性地组合导电填料和功能填料,混合填料复合材料可以在保持导电性的同时实现各种各样的特殊功能。例如电致发光材料,填充铁粉的磁场驱动材料,填充液态金属的自修复材料,填充稀有金属的抗氧化或抗菌材料等等。得益于优异的理化性能和多种多样的功能,混合填料SCC越来越多地用于可拉伸电子设备领域。

近年来有关混合填料可拉伸导电复合材料研究热度的不断增长,澳大利亚伍伦贡大学李卫华教授,博士生贠国霖和英国伯明翰大学唐诗杨博士等在Small Science最新发表的综述论文中系统分析了这类复合材料的制备方法,可拉伸性增强策略和压阻特征,并介绍了它们在可拉伸电子产品中的最新应用以及讨论了其发展所面临的挑战和前景。

图2. 不同形状填料的拉伸响应。

文章首先详细介绍了导电复合材料中常用的导电填料和聚合物基质及其对复合材料机电性能的影响。复合材料的电性能,例如电导率和压阻特征,通常由导电填料的类型,形状,大小和浓度决定,而弹性基体主要影响其机械性能,同时制备工艺也会影响复合材料的性能。根据类型,导电填料主要可分为固态金属,液态金属,金属氧化物,碳基填料和导电聚合物。这些填料具有四种主要形态:颗粒,片状,丝状和液态。填充有颗粒填料的复合材料电导率通​​常较低且对机械变形极为敏感。当复合材料被拉伸时,颗粒填料会彼此分离使电导率急剧下降(图2A)。相反,填充有片状或丝状高纵横比填料的复合材料的电导率通​​常较高。它们可以在复合材料被拉伸时保持接触以维持高导电性(图2B,C)。在变形过程中,诸如液态金属之类的可拉伸填料会与基质一起变形,从而维持导电网络(图2D)。

混合填料SCC中的主填料和辅助填料通常具有不同的形状或类型。不同填料的组合赋予了复合材料更加优越的性能。大多数混合填料SCC都填充有不同几何特征的填料。通常将高纵横比填料或液态金属与颗粒填料组合以增强复合材料导电性或调节复合材料的应变灵敏度。此外,许多混合填料SCC使用性能与主填料不同的辅助填料来弥补主填料的缺点或赋予复合材料新的功能。

图3. 增强复合材料拉伸时导电性能的三种策略。

本文随后介绍了SCC的制备方法和增强复合材料拉伸时导电性能的三种主要方法(图3):1. 使用液态金属等本质可拉伸的填料;2. 构建可以在拉伸时维持接触的填料微网络;3.设计可拉伸的几何宏观结构。

图4. 具有特殊压阻特性的液态金属导电复合材料。

之后,文章还总结了用于描述复合材料电导率的常用理论和数值模型,并分析了导电复合材料的压阻类型。重点介绍了在拉伸时电阻不增反降的特殊压阻复合材料并解释了其背后的机理。例如该课题组先前报道的一种同时填充了液态金属和金属微米颗粒的复合材料。得益于固-液混合的复合填料网络,这种材料的电阻率在拉伸,压缩,扭转,弯曲等等机械载荷下均显著降低数个数量级(图4A,DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-019-09325-4)。而通过在磁场中固化,这种复合材料可获得奇特的各向异性压阻特征。根据测量方向不同它的电阻可以随应变增加或减少(图4B,DOI: https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.05.022)。

图5. 导电复合材料的各种应用。

着眼于不同的压阻特性,本文详尽介绍了混合填料SCC在可拉伸电极电路,柔性传感器,柔性功能执行器和其他可拉伸集成电子设备中的最新应用(图5)。最后,这篇综述评估了可拉伸导电复合材料相比于传统的刚性导电材料和商业传感器的优缺点,并提出了一些潜在的研究方向及挑战。希望这篇综述可以为将来导电复合材料的研究提供参考和启发。

该综述第一作者为澳大利亚伍伦贡大学博士研究生贠国霖。英国伯明翰大学唐诗杨博士、澳大利亚伍伦贡大学李卫华教授,以及美国北卡罗莱纳州立大学Michael Dickey教授为共同通讯作者。

作者简介

本文第一作者贠国霖于2017年毕业于中国科学技术大学(USTC),获理学学士学位。于2021年在李卫华教授指导下毕业于澳大利亚伍伦贡大学(UOW),获博士学位。其研究方向主要包括液态金属,可拉伸导电复合材料及其在柔性传感器和可拉伸电子产品中的应用。

论文信息:

Hybrid-filler Stretchable Conductive Composites – from Fabrication to Application

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.2020000080