CN104538088A - 一种导电弹性复合材料的构建及制备方案 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种导电弹性复合材料的构建及制备方案，属于可拉伸电子学领域，更确切的指，一种可在拉伸、收缩时保持高电阻稳定性的导电弹性体的构建及制备方案。本发明涉及的高拉伸导电弹性体包括两个主要组成部分，弹性体和导电层。导电层采用石墨烯、碳纳米管等导电材料作为基本导电单元，弹性体作为基本结构单元。实验结果表明，该材料整体电导率达到10Scm-1；弹性应变可达600%-1000%；反复拉伸10000次电阻变化<10%。本发明作为柔性可拉伸电子器件的基础材料，可广泛应于医学移植、智能服装、人工智能、仿生材料等。
Description
技术领域
本发明涉及可拉伸电子学领域，更确切的指，一种可在拉伸、收缩时保持高电阻稳定性的导电弹性复合材料的构建及制备方案。
背景技术
近年刚刚兴起的可拉伸电子学，为人们带来了全新的概念和体验。可拉伸柔性电路能够完成许多刚性电路无法完成的任务，使得电子学器件可以应用在许多对“整合性”要求比较高的领域，比如医学移植、智能服装、人工智能、仿生材料等。举例来讲，伸缩型电子皮肤可连接假手与神经***；使用可拉伸柔性电路，便携设备可嵌到衣服甚至是身体中，在拉伸收缩过程中稳定工作。这是传统的刚性电子材料和器件难以实现的。创建可任意伸缩和弯曲的电路，而不是固定在刚性芯片和线路板上，是新型材料与电子器件发展的方向。
导电弹性材料可用来作为可拉伸的连接导线或电极材料，是实现可拉伸电子学和可拉伸电子器件的基础。世界各国的研究者正在寻求各种可令导体具有柔韧性和可拉伸性的方法。目前，获得可拉伸导体的方式主要有两种：一种方法是将导电纳米材料和弹性体混合制成复合材料，从而获得导电弹性体。这种方法简单有效，通常可以获得具有较好可拉伸性和导电性的复合材料。[1] 而这种方法制备出的复合材料在拉伸过程中电阻不稳定，会增加几倍甚至上百倍。[2]。另外一种方法是在弹性体上建造具有特殊结构和构型的导电薄膜。这种“表面覆盖”方法可以使传统的金属材料和半导体材料承受一定程度的拉伸应变并保持较稳定的电阻。这种方法制备的导电弹性体材料在拉伸过程中电阻比较稳定，只是受导电材料本身力学性能的限制，材料最大应变通常小于10-20%。而且由于附着导电层薄，导电弹性体的电阻通常很大，且拉伸过程中电阻不稳定，这极大的限制了可拉伸电子学的研究以及该导电弹性体在可拉伸器件的应用。
参考文献：
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发明内容
本发明的目的是提供一种新型的导电弹性复合材料的构建方式以及制备方法。该方法既可以获得具有可拉伸性和导电性的复合材料，又可以使材料在一定程度的反复拉伸下保持稳定的电阻。
本发明提供的导电弹性复合材料的构建方式以及制备方法如下：
1.本发明涉及的高拉伸导电弹性复合材料构建以及制备方法主要分为五个步骤，具体见示意图1。
2.本发明涉及的高拉伸导电弹性复合材料包括两个主要组成部分，弹性体和导电层。弹性体作为基本结构单元；导电层采用石墨烯、碳纳米管等导电材料作为基本导电单元。为使拉伸过程中整个导电弹性体保持稳定电阻，弹性体表面采用波浪形设计，如图2所示。这样，在拉伸过程中可以保证导电层（石墨烯层）只是形状变化，而不会引起层内断裂，从而大幅度增加电阻。
3.弹性体表面波形的制备可以采用模板法和电子束刻蚀法。其中模板法可以用来制备弹性体表面大周期波形（>100微米），电子束刻蚀法可以制备小周期波形(<100微米)。两种方法复合使用可以制备双周期表面波形。
4.弹性体表面与导电层的紧密结合是制备高稳定性可拉伸导电弹性体的基本条件之一。弹性体表面可以通过采用表面修饰技术引入芳香性基团（如芘），从而增加与石墨烯层的作用力。具体路线为采用硅烷偶联剂引入表面活性氨基，进而采用碳二亚胺偶联形成酰胺键以引入芳香性基团来实现，如图3所示。
5.导电层与弹性体表面复合采用溶液浸润-干燥过程实现，导电层层数和厚度可以通过反复浸润-干燥步骤实现。通过控制导电层厚度可以实现导电层-弹性体复合材料的不同电阻，从而得到电阻稳定的高拉伸导电弹性复合材料。
附图说明：
图1. 导电弹性复合材料构建以及制备方法示意图。
图2. 弹性体表面波形设计与导电层复合结构示意图。
图3. 弹性体表面芳香性基团修饰路线示意图。
图4. 大尺寸可溶性导电石墨烯制备路线示意图。
图5. 实验测试图。其中图（a）为：不同层数石墨烯高拉伸导电弹性体拉伸过程中应变与电阻变化曲线；图（b）为：含15层石墨烯层的导电弹性体反复拉伸过程中电阻变化曲线。
具体实施方式：
实施例. 一种导电弹性体的构建以及反复拉伸测试实验
（1）采用sebs添加滑石粉搅拌均匀，将该复合物作为弹性体基本结构单元。
（2）将上述制备的弹性体进行表面设计并进行周期和振幅的处理，处理方法采用模板法，设计表面波形为正弦波，波形周期为20微米。振幅为20微米。
（3）构建完基本周期结构之后，对弹性体表面进行修饰，引入芳香性基团——芘。具体路线为采用硅烷偶联剂引入表面活性氨基，进而采用碳二亚胺偶联形成酰胺键以引入芳香性基团来实现，如图3所示。
（4）弹性导电体导电层材料采用大尺寸可溶性导电石墨烯，石墨烯表面使用芳香基团——芘胺修饰。制备以及修饰方法见图4。
（5）将弹性体基本机构单元与导电单元紧密复合。复合方法可以通过表面沉积法进行；石墨烯层厚度可以通过反复浸润-干燥步骤实现。浸润-干燥15次，可得到15层石墨烯导电层的导电弹性体。
（6）通过1-30层石墨烯导电层试制和测试，数据显示：材料整体电导率达到10 S cm-1；弹性应变可达600%；反复拉伸10000次电阻变化<10%。数据图见图5。
Claims (8)
1.一种导电弹性复合材料的构建及制备方案，该方案选用弹性体和导电层复合的方法，使该复合材料的弹性应变达到600%-1000%；反复拉伸10000次电阻变化<10%。
2.本发明所述的导电弹性复合材料包括两个主要组成部分：弹性体和导电层。
3.根据权利要求2所述的弹性体作为导电弹性复合材料的基本结构单元，其成分为超软级弹性橡胶，例如：sebs，添加液体石蜡、滑石粉。
4.根据权利要求2所述的弹性体表面处理为波浪形，波浪周期为200纳米到200微米，波浪振幅为200纳米到20微米；可以为单一周期、单一振幅，也可以为两种或两种以上的复合周期和复合振幅；表面波形的制备可以采用模板法或者电子束刻蚀法。
5.根据权利要求2所述的弹性体表面需要进行处理，处理方式可以通过采用表面修饰技术引入芳香性基团，从而增加与导电层的作用力；例如采用硅烷偶联剂引入表面活性氨基，进而采用碳二亚胺偶联形成酰胺键以引入芳香性基团——芘胺来实现。
6.根据权利要求2所述的导电层采用导电材料作为基本导电单元，导电材料包含但不仅限于：石墨烯、碳纳米管。
7.根据权利要求2所述的弹性体与导电层表面复合可以采用溶液浸润-干燥过程实现，导电层层数和厚度可以通过反复浸润-干燥步骤实现。
8.根据权利要求2所述的导电弹性复合材料的制备，其特性包含以下步骤（1）、步骤（2）、步骤（3）、步骤（4）、步骤（5）；其中步骤（1）、（2）、（3）与步骤（4）可按照顺序、倒序或者同步进行： （1）弹性体表面波形设计； （2）弹性体表面波形制备； （3）弹性体表面修饰； （4）导电层制备与修饰； （5）弹性体与导电层表面复合。
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