Matter:填补研究空缺,导电复合材料新进展

发布时间:2020-07-10


研究亮点:

1. 提出了各向异性液态金属填充磁流变弹性体(ALMMRE)。

2. ALMMRE表现出了各向异性的压电性和显著增强的电各向异性。

3. ALMMRE显示出了各向异性的机械,热和磁性能。

 

导电复合材料:

导电复合材料由导电填料和绝缘弹性体基体组成,同时具备了导体的导电性与弹性体的柔韧性。这其中,各向异性导电复合材料通过在基体中定向排列以对准导电填料,赋予了复合材料沿对准方向显著增强的导电,导热或机械性能。这使得它们广泛应用于高性能电极,导电胶,运动传感器和特殊功能材料等领域。

 

导电复合材料的压导特性(或称应变响应),是指其导电性能在压缩,拉伸等变形下如何变化的性能。这一性能对于复合材料在传感器等柔性电子设备中的应用至关重要。然而,现有的关于各向异性导电复合材料的研究大多仅关注材料在松弛状态下的导电性,缺乏对于它们的压导特性的研究和应用。

 

成果简介:

为填补这一研究空缺,最近由澳大利亚伍伦贡大学李卫华教授、英国伯明翰大学唐诗杨博士领导的研究组与美国北卡莱罗纳州立大学Michael Dickey教授组成的联合研究团队合成了一种由铁磁微米颗粒、液态金属和高分子弹性基体组成的各向异性液态金属填充磁流变弹性体(ALMMRE),并深入探究了其压导特性。令人惊讶的是,ALMMRE不仅拥有各向异性的导电性能,还展现出各向异性的压导(piezoconductivity)特性。沿不同方向,复合材料甚至具有相反的应变响应,这种反常的压导特性在以往的研究中是从未提出过的。

 

图1. ALMMRE的3D微结构示意图,电子显微镜图像以及元素分布图。

 

要点1:ALMMRE各向异性的导电和压导特性

要解释这种非常规的压导特性,就不得不介绍ALMMRE特殊的微观结构。ALMMRE是通过磁场对准方法生产的,将复合材料的导电填料和基体均匀混合,并在固化过程中施加匀强磁场,即可使其中的铁磁颗粒沿磁场方向对准并排列成链。


从上面的扫描电镜图像和元素分布图中可以明显看出这种链状结构,正是它赋予了ALMMRE各向异性。复合材料中的液态金属微米液滴起到连接铁磁颗粒链并形成导电网络的作用。沿对准方向,复合材料具有增强的电导率,热导率和机械强度。与在无磁场环境下固化的各向同性复合材料相比(Nature Communications, 2019, 10, 1300),在无应变条件下ALMMRE沿对准方向的电导率增加了三个数量级。


有趣的是,其垂直于对准方向的电导率同样增加了两个数量级,这与大多数传统各向异性复合材料不同(传统各向异性导电材料以牺牲其它方向的导电性能为代价来提升对准方向的电导率)。

 

图2. ALMMRE的各向异性压导特性以及仿真结果。

 

上图直观体现了ALMMRE的各向异性压导特性。按照图A所示方法在拉伸和压缩应变下测量块状复合材料样品的电阻并计算电阻率。测量方向与对准方向之间的夹角为θ。复合材料沿平行和垂直于对准方向的电阻率-应变曲线如图B所示。


沿对准方向(θ = 0°),材料表现出负压导(negative piezoconductivity)性,其电阻率在5%的压缩应变下降低了2个数量级。而在垂直于对准方向上(θ = 90°),材料具有反常的正压导性(positive piezoconductivity),其电阻率在压缩时增加而在拉伸时呈指数降低。为模拟复合材料的电阻率,研究人员依据扫描电镜图像绘制了图C中的仿真模型,并使用COMSOL软件模拟了复合材料在平行和垂直于对准方向上的不同应变下的电阻率如图D所示。仿真结果成功反映了ALMMRE的各向异性导电性和压导特性。另外,当采用不规则的镍微米颗粒作为铁磁颗粒填料时,复合材料的应变敏感性可以进一步提升。沿对准方向,其电阻率可在5%压缩应变下剧烈降低五个数量级,显示出惊人的高应变敏感度。

 

要点2:ALMMRE制成的触摸式逻辑门


利用ALMMRE显著的各向异性电学性质和高应变敏感性,研究人员展示了如上图所示的可实现不同逻辑门功能的柔性触觉逻辑器件。当复合材料样品沿θ = 90°方向串联接入LED电路时,其初始电阻极高电路不工作。横向按压样品将降低其电阻并点亮LED灯,此时样品起到缓冲门的作用。


同理,样品沿θ = 0°方向接入电路可以起到非门的作用。一旦接收到触摸信号,其电阻就会立刻增加数个数量级从而断开电路。通过组合这两种逻辑元件,研究人员还实现了更为复杂的与门,或门,与非门,或非门等逻辑功能。此外,这种各向异性导电复合材料还可用于开发智能柔性加热膜和输出范围可调的指数式变阻器等应用。由于其独特的各向异性特性和简便的制备方法,我们相信该复合材料在智能传感器,软体机器人和可穿戴设备领域具有广阔的应用前景。

 

图3. ALMMRE制成的触摸式逻辑门。

 

小结

综上,本文报道了一种各向异性导电弹性体,利用这些独特的特性来演示柔性触觉逻辑器件和一个范围可调变阻器,有可能推动柔性触觉传感器和柔性电子产品的发展。

 

作者介绍

第一作者简介:

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本文第一作者贠国霖于2017年毕业于中国科学技术大学(USTC)工程科学学院近代力学系,获得理学学士学位。目前在澳大利亚伍伦贡大学工程与信息科学学院攻读博士学位。其博士导师为李卫华教授和唐诗杨博士(英国伯明翰大学)。其研究方向主要包括液态金属,导电复合材料以及它们在柔性可穿戴电子装置,功能执行器和传感器中的应用。



来源:纳米人


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