Advanced Functional Materials  :基于微观界面焊接三维碳网络的柔性可拉伸导体

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。

【成果简介】

近日,香港中文大学(深圳)郑庆彬教授和天津大学封伟教授团队联合报道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%的超高拉伸率。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稳定性。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。

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【图文导读】

图1. (a-f)初始碳纳米管海绵、聚酰亚胺焊接碳纳米管海绵和GNP-w-CNT的SEM图像。(g,h)碳纳米管海绵和GNP-w-CNT的拉曼光谱和XRD谱。(i) 碳纳米管海绵和GNP-w-CNT的压缩应变-应力曲线。

初始 CNT 海绵表现出由随机缠绕的纳米管组成的多孔开孔结构。在引入聚酰亚胺 (PI) 层后,将相邻的 CNT 粘结在一起。通过随后的石墨化过程将 PI 层转化为石墨层以焊接 CNT。焊点的石墨化程度和表面积决定了电子/应力转移的效率。具有互连网状结构的石墨层是基于较大的管间交联区域形成的。与其他具有无定形碳或其他无序石墨的焊接接头相比,高石墨化程度的焊接结构更具有导电性。

图2.(a)CNT和GNP-w-CNT网络电导率变化的基本机制示意图。(b)CNT/PDMS和GNP-w-CNT/PDMS复合材料抗单轴拉伸应变的相对变化。大应变(60%)下(c)GNP-w-CNT/PDMS和(d)CNT/PDMS复合材料的形貌变化。

GNP-w-CNT/PDMS 可拉伸导体在大幅拉伸变形下表现出优异的导电性。与 CNT/PDMS 相比,GNP-w-CNT/PDMS 复合材料表现出更好的稳定性和更高的耐久性。CNT/PDMS复合材料的电阻在150% 应变下增加了约73%。而焊接后(GNP-w-CNT/PDMS)其在拉伸150%时电阻变化小于20%。焊接结构的稳固性使得GNP-w-CNT/PDMS复合材料可以在不同的结构形变下(拉伸、弯曲、扭曲、挤压)保持稳定的电导率,可应用于人体可穿戴的柔性导体。

图3.(a,b)在拉伸、弯曲、扭曲和挤压变形下发光的LED的光学图像和电阻变化;(c,d)可伸展导体在人体中的可穿戴应用。

【小结】

基于GNP-w-CNT/PDMS的可拉伸导体表现出高导电性(超过132 S m−1) 优异的拉伸性能(拉伸可达210%)和优异的电机械稳定性(150%应变下电阻变化<20%,1000次拉伸-释放循环)。由于GNP-w-CNT/PDMS复合材料具有较高的电子导电性和良好的拉伸性能,因此在可拉伸及柔性可穿戴电子领域有着广阔的应用前景。

文章第一作者为香港中文大学(深圳)张飞博士,香港中文大学(深圳)郑庆彬教授和天津大学封伟教授为共同通讯作者。

论文信息:

3D Interconnected Conductive Graphite Nanoplatelet Welded Carbon Nanotube Networks for Stretchable Conductors

Fei Zhang, Danhui Ren, Lingqi Huang, Yinhang Zhang, Yuxuan Sun, Dan Liu, Qi Zhang, Wei Feng*, Qingbin Zheng*

Advanced Functional Materials 

DOI: 10.1002/adfm.202107082

全文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107082