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北京化工大学于中振教授、张好斌教授团队《ACS Nano》：剪纸技术启发的高度可拉伸、导电稳定的多级MXene褶皱薄膜
电子皮肤在工业机器人、可穿戴电子等领域具有潜在的应用价值。可拉伸导体作为电子皮肤的基本单元，在实现基础功能和多功能整合中发挥着关键作用。不仅需要充当电路和电极，也需要具有智能刺激灵敏、可调节的热管理能力及有效的电磁屏蔽功能。因此，研究可适应复杂变形的可拉伸导体非常重要。 虽然Ti3C2TxMXene具有很高的电导率，但是设计出高度可拉伸的MXene电极仍然是非常具有挑战的。受高度可拉伸剪纸结构的启发，北京化工大学的于中振教授和张好斌教授等近日报道了一种自下而上的方法，在柔性的PDMS基底上制备具有一级和二级表面褶皱的多级表面，设计出高度可拉伸、大形变下导电稳定的PDMS/MXene薄膜，具有电磁屏蔽和压力传感的功能。该研究成果以“Kirigami-Inspired Highly Stretchable, Conductive, and Hierarchical Ti3C2TxMXene Films for Efficient Electromagnetic Interference Shielding and Pressure Sensing” 为题发表在《ACS NANO》上（见文后原文链接）。文章第一作者是北京化工大学博士生陈伟。
【图文解析】
图1. Ti3C2Tx MXene/PDMS多级导电薄膜的主要制备过程及表征。 解析：作者首先利用双向预拉伸的PS基板上构建MXene褶皱薄膜，然后将其嵌入PDMS基底制备出PDMS/MXene薄膜。通过对调节MXene层厚度和预拉伸程度，可以得到不同褶皱波长及振幅PDMS/MXene薄膜。
图2. 多级结构薄膜的可拉伸导电稳定性 解析：制备得到的多级PDMS/MXene薄膜具有优异的可拉伸稳定性，可耐受长循环大应变的拉伸。与普通的褶皱结构可拉伸薄膜不同的是，多级PDMS/MXene薄膜的可拉伸性能来至于由表面结构起伏所诱导的可控微裂纹，因此其表现出完全不同电阻-应变特性，即在少量的拉伸循环后薄膜呈现出应变下电阻不变的特性。同时薄膜对不同的拉伸应变表现出自适应的性质，在相应应变下进行数次拉伸循环后，即可在该应变范围内的拉伸过程中具备应变下电阻不变的特性，该过程只改变初始5%范围内的电阻。通过进一步的少量预拉伸(<10%)，初始5%范围内的电阻变化图可以被进一步抑制。
图3. 多级薄膜的微观结构及模拟分析 解析：作者提出了一种构造可拉伸导电薄膜的新机制。多级PDMS/MXene薄膜的表面脊状结构在拉伸过程中使表面产生局部不均匀的应变，这种应变可以诱导表面层产生微裂纹，从而大幅度提升表面层的延展性能。表面结构对复合薄膜的可拉伸性能具有决定性的影响。根据褶皱的多级结构进一步研究二级褶皱对导电稳定性的影响。研究了三种典型的褶皱薄膜，只具有一级褶皱结构的振幅分别为7微米和19微米的两种薄膜，以及同时具有一级褶皱和二级褶皱，振幅分别为19微米和64微米的薄膜。在这三种薄膜上施加不同的应变，结果表明具有二级褶皱结构的薄膜的电阻变化明显低于只具有一级褶皱结构的薄膜。有限元仿真进一步验证了实验结果。
图4. 电磁屏蔽及焦耳加热应用 解析：作者将这种可拉伸导电薄膜测试不同状态下的电磁屏蔽性能，发现只有第一次拉伸后屏蔽出现不可逆的降低，随后在增加应变屏蔽性能几乎不降低，证明可以作为拉伸不变的屏蔽材料。通过构建双面的结构，这种可拉伸薄膜可以达到最高103dB的屏蔽效能。1.58微米的薄膜在5V电压下可以升温到140℃。调节不同薄膜厚度及电压可以达到不同的温度。可以将其应用于人体关节的保温以及温热治疗。
图5. 基于多级PDMS/MXene薄膜的可拉伸压力传感器 解析：作者以多级结构薄膜为电极材料，以含有离子液体的静电纺丝聚氨酯纤维为电解质层材料组装得到压力传感器阵列，利用离子传感的机理，可以制备出高效的可拉伸压力传感器，这种传感器具有高达66.3 nF/kPa的灵敏度，即使在50%的拉伸应变下仍然具有7.0 nF/kPa的灵敏度。得益于电极材料的自适应可拉伸性能，这种传感器具有很好的拉伸稳定性和测量精度。
图6. 传感器用于脉搏、声音及物体轮廓及关节压力等的监测 解析：该压力传感器可以用于监测脉搏和声音信息。利用其可拉伸性能，该传感器可以应用在监测运动过程中关节处等具有大应变部位皮肤的压力分布。 【总结】 作者受可拉伸剪纸结构的启发，应用微裂纹法制备出拉伸下导电几乎不变的MXene薄膜，实现了高导电可拉伸导体的成功制备。多级的PDMS/MXene薄膜显示出100%的高度可拉伸性，预拉伸应变值下的应变不变的电导性及1000循环下的稳定导电性能，在可拉伸导体研究中具有重要的科研价值。此外多级MXene薄膜还同时具有电磁屏蔽、焦耳加热及压力传感性能，整合了可拉伸性和多功能的结合，对电子皮肤的研究很有意义。 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c01277
来源：高分子科学前沿
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发布时间：2021-04-21 05:45:56 来源：头条网 |
