低纳米粒子载荷的高导电性柔性聚合物材料设计

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柔性导电材料通常以柔性的聚合物基体作为支撑,再负载导电组分,如石墨烯、碳纳米管、金属纳米线、金属纳米粒子和导电高分子等,形成导电网络,从而同时具备优秀的机械特性和出色的导电性能,在柔性机器人、传感器、自修复柔性电子元件、生物集成电子皮肤及可穿戴柔性电子设备等领域有着广阔的应用前景。衡量柔性导电材料的关键指标是力学性能与导电性能。目前,柔性导电材料中广泛存在的问题是实现优秀的力学性能的同时,材料的导电性能会受到严重的制约。对于传统的柔性导电材料,通常需要添加大量的导电填料以满足对导电性能的需求,此时会大大降低材料的力学性能。因此,许多科研工作致力于优化导电纳米复合材料的组成和结构,以期实现同时具备卓越的力学和导电性能,满足柔性可穿戴电子设备的性能需求。在本论文中我们提出了一种新的柔性导电聚合物材料的设计思路,通过改变导电纳米粒子的表面性质和相互作用,利用其在聚合物基底中的自组装,形成高效的导电通路,以实现低载荷纳米粒子掺杂聚合物的高导电性柔性材料。我们采用布朗动力学模拟方法对设计思路进行验证,研究了在静态和拉伸应变下该类材料中纳米粒子的自组装行为,包括不同载荷(体积分数)的导电纳米粒子在多种聚合物含量下形成的凝胶或弹性体中的逾渗概率和取向变化,并通过调节导电纳米粒子间的相互作用诱导形成链状的高效导电通路。该材料体系在平衡态时,当导电纳米粒子载荷低至2 vol%,仍能保持着逾渗(对应逾渗概率接近100%)。由于纳米粒子具有动态自组装的特性,体系的导电通路具有结构自修复能力。对导电纳米粒子载荷为2 vol%的体系施加拉伸后,随着拉伸应变的不断增大,体系中形成的链状导电通路结构仍保持良好,仅发生部分的断裂和重组,保持较强的逾渗能力,当拉伸应变达到300%时,体系的逾渗概率仍大于35%。此外,随着应变的不断增加,纳米粒子组装体表现出很强的各向异性,体系中导电纳米粒子形成的链状结构的导电通路逐渐沿着拉伸方向伸展,对应链状结构的取向迅速上升,产生导电性质的各向异性。这些计算机模拟结果为先进柔性导电材料的设计提供了依据。
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