一種導(dǎo)電彈性復(fù)合材料的構(gòu)建及制備方案的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及可拉伸電子學(xué)領(lǐng)域，更確切的指，一種可在拉伸、收縮時保持高電阻穩(wěn)定性的導(dǎo)電彈性復(fù)合材料的構(gòu)建及制備方案。
【背景技術(shù)】
[0002]近年剛剛興起的可拉伸電子學(xué)，為人們帶來了全新的概念和體驗(yàn)?？衫烊嵝噪娐纺軌蛲瓿稍S多剛性電路無法完成的任務(wù)，使得電子學(xué)器件可以應(yīng)用在許多對“整合性”要求比較高的領(lǐng)域，比如醫(yī)學(xué)移植、智能服裝、人工智能、仿生材料等。舉例來講，伸縮型電子皮膚可連接假手與神經(jīng)系統(tǒng)；使用可拉伸柔性電路，便攜設(shè)備可嵌到衣服甚至是身體中，在拉伸收縮過程中穩(wěn)定工作。這是傳統(tǒng)的剛性電子材料和器件難以實(shí)現(xiàn)的。創(chuàng)建可任意伸縮和彎曲的電路，而不是固定在剛性芯片和線路板上，是新型材料與電子器件發(fā)展的方向。
[0003]導(dǎo)電彈性材料可用來作為可拉伸的連接導(dǎo)線或電極材料，是實(shí)現(xiàn)可拉伸電子學(xué)和可拉伸電子器件的基礎(chǔ)。世界各國的研究者正在尋求各種可令導(dǎo)體具有柔韌性和可拉伸性的方法。目前，獲得可拉伸導(dǎo)體的方式主要有兩種:一種方法是將導(dǎo)電納米材料和彈性體混合制成復(fù)合材料，從而獲得導(dǎo)電彈性體。這種方法簡單有效，通?？梢垣@得具有較好可拉伸性和導(dǎo)電性的復(fù)合材料。[I]而這種方法制備出的復(fù)合材料在拉伸過程中電阻不穩(wěn)定，會增加幾倍甚至上百倍。[2]。另外一種方法是在彈性體上建造具有特殊結(jié)構(gòu)和構(gòu)型的導(dǎo)電薄膜。這種“表面覆蓋”方法可以使傳統(tǒng)的金屬材料和半導(dǎo)體材料承受一定程度的拉伸應(yīng)變并保持較穩(wěn)定的電阻。這種方法制備的導(dǎo)電彈性體材料在拉伸過程中電阻比較穩(wěn)定，只是受導(dǎo)電材料本身力學(xué)性能的限制，材料最大應(yīng)變通常小于10-20%。而且由于附著導(dǎo)電層薄，導(dǎo)電彈性體的電阻通常很大，且拉伸過程中電阻不穩(wěn)定，這極大的限制了可拉伸電子學(xué)的研究以及該導(dǎo)電彈性體在可拉伸器件的應(yīng)用。
[0004]參考文獻(xiàn):
1.Sekitanij T.; Noguchi，Y.; Hataj K.; Fukushimaj T.; Aida, T.; SomeyajT.， Science 2008， 321 (5895)， 1468-1472.2.Kimj Y.; Zhuj J.; Yeomj B.; Di Primaj Μ.; Suj X.; Kimj J.-G.; Yooj S.J.; Uherj C.; Kotov, N.A.，Nature 2013，500 (7460)，59-63。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種新型的導(dǎo)電彈性復(fù)合材料的構(gòu)建方式以及制備方法。該方法既可以獲得具有可拉伸性和導(dǎo)電性的復(fù)合材料，又可以使材料在一定程度的反復(fù)拉伸下保持穩(wěn)定的電阻。
[0006]本發(fā)明提供的導(dǎo)電彈性復(fù)合材料的構(gòu)建方式以及制備方法如下:
1.本發(fā)明涉及的高拉伸導(dǎo)電彈性復(fù)合材料構(gòu)建以及制備方法主要分為五個步驟，具體見示意圖1。
[0007]2.本發(fā)明涉及的高拉伸導(dǎo)電彈性復(fù)合材料包括兩個主要組成部分，彈性體和導(dǎo)電層。彈性體作為基本結(jié)構(gòu)單元；導(dǎo)電層采用石墨烯、碳納米管等導(dǎo)電材料作為基本導(dǎo)電單元。為使拉伸過程中整個導(dǎo)電彈性體保持穩(wěn)定電阻，彈性體表面采用波浪形設(shè)計(jì)，如圖2所示。這樣，在拉伸過程中可以保證導(dǎo)電層(石墨烯層)只是形狀變化，而不會引起層內(nèi)斷裂，從而大幅度增加電阻。
[0008]3.彈性體表面波形的制備可以采用模板法和電子束刻蝕法。其中模板法可以用來制備彈性體表面大周期波形(>100微米)，電子束刻蝕法可以制備小周期波形(〈100微米)。兩種方法復(fù)合使用可以制備雙周期表面波形。
[0009]4.彈性體表面與導(dǎo)電層的緊密結(jié)合是制備高穩(wěn)定性可拉伸導(dǎo)電彈性體的基本條件之一。彈性體表面可以通過采用表面修飾技術(shù)引入芳香性基團(tuán)(如芘)，從而增加與石墨烯層的作用力。具體路線為采用硅烷偶聯(lián)劑引入表面活性氨基，進(jìn)而采用碳二亞胺偶聯(lián)形成酰胺鍵以引入芳香性基團(tuán)來實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。
[0010]5.導(dǎo)電層與彈性體表面復(fù)合采用溶液浸潤-干燥過程實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)電層層數(shù)和厚度可以通過反復(fù)浸潤-干燥步驟實(shí)現(xiàn)。通過控制導(dǎo)電層厚度可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電層-彈性體復(fù)合材料的不同電阻，從而得到電阻穩(wěn)定的高拉伸導(dǎo)電彈性復(fù)合材料。
[0011]【附圖說明】:
圖1.導(dǎo)電彈性復(fù)合材料構(gòu)建以及制備方法示意圖。
[0012]圖2.彈性體表面波形設(shè)計(jì)與導(dǎo)電層復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖3.彈性體表面芳香性基團(tuán)修飾路線示意圖。
[0014]圖4.大尺寸可溶性導(dǎo)電石墨烯制備路線示意圖。
[0015]圖5.實(shí)驗(yàn)測試圖。其中圖(a)為:不同層數(shù)石墨烯高拉伸導(dǎo)電彈性體拉伸過程中應(yīng)變與電阻變化曲線；圖6)為:含15層石墨烯層的導(dǎo)電彈性體反復(fù)拉伸過程中電阻變化曲線。
[0016]【具體實(shí)施方式】:
實(shí)施例.一種導(dǎo)電彈性體的構(gòu)建以及反復(fù)拉伸測試實(shí)驗(yàn)
(I)采用sebs添加滑石粉攪拌均勻，將該復(fù)合物作為彈性體基本結(jié)構(gòu)單元。
[0017](2)將上述制備的彈性體進(jìn)行表面設(shè)計(jì)并進(jìn)行周期和振幅的處理，處理方法采用模板法，設(shè)計(jì)表面波形為正弦波，波形周期為20微米。振幅為20微米。
[0018](3)構(gòu)建完基本周期結(jié)構(gòu)之后，對彈性體表面進(jìn)行修飾，引入芳香性基團(tuán)——芘。具體路線為采用硅烷偶聯(lián)劑引入表面活性氨基，進(jìn)而采用碳二亞胺偶聯(lián)形成酰胺鍵以引入芳香性基團(tuán)來實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。
[0019](4)彈性導(dǎo)電體導(dǎo)電層材料采用大尺寸可溶性導(dǎo)電石墨烯，石墨烯表面使用芳香基團(tuán)——芘胺修飾。制備以及修飾方法見圖4。
[0020](5)將彈性體基本機(jī)構(gòu)單元與導(dǎo)電單元緊密復(fù)合。復(fù)合方法可以通過表面沉積法進(jìn)行；石墨烯層厚度可以通過反復(fù)浸潤-干燥步驟實(shí)現(xiàn)。浸潤-干燥15次，可得到15層石墨烯導(dǎo)電層的導(dǎo)電彈性體。
[0021](6)通過1-30層石墨烯導(dǎo)電層試制和測試，數(shù)據(jù)顯示:材料整體電導(dǎo)率達(dá)到10 Scm-1 ;彈性應(yīng)變可達(dá)600% ;反復(fù)拉伸10000次電阻變化<10%。數(shù)據(jù)圖見圖5。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種導(dǎo)電彈性復(fù)合材料的構(gòu)建及制備方案，該方案選用彈性體和導(dǎo)電層復(fù)合的方法，使該復(fù)合材料的彈性應(yīng)變達(dá)到600%-1000% ;反復(fù)拉伸10000次電阻變化〈10%。
2.本發(fā)明所述的導(dǎo)電彈性復(fù)合材料包括兩個主要組成部分:彈性體和導(dǎo)電層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的彈性體作為導(dǎo)電彈性復(fù)合材料的基本結(jié)構(gòu)單元，其成分為超軟級彈性橡膠，例如:sebs，添加液體石蠟、滑石粉。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的彈性體表面處理為波浪形，波浪周期為200納米到200微米，波浪振幅為200納米到20微米；可以為單一周期、單一振幅，也可以為兩種或兩種以上的復(fù)合周期和復(fù)合振幅；表面波形的制備可以采用模板法或者電子束刻蝕法。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的彈性體表面需要進(jìn)行處理，處理方式可以通過采用表面修飾技術(shù)引入芳香性基團(tuán)，從而增加與導(dǎo)電層的作用力；例如采用硅烷偶聯(lián)劑引入表面活性氨基，進(jìn)而采用碳二亞胺偶聯(lián)形成酰胺鍵以引入芳香性基團(tuán)——芘胺來實(shí)現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的導(dǎo)電層采用導(dǎo)電材料作為基本導(dǎo)電單元，導(dǎo)電材料包含但不僅限于:石墨烯、碳納米管。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的彈性體與導(dǎo)電層表面復(fù)合可以采用溶液浸潤-干燥過程實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)電層層數(shù)和厚度可以通過反復(fù)浸潤-干燥步驟實(shí)現(xiàn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的導(dǎo)電彈性復(fù)合材料的制備，其特性包含以下步驟(I)、步驟(2)、步驟(3)、步驟(4)、步驟(5);其中步驟(I)、(2)、(3)與步驟(4)可按照順序、倒序或者同步進(jìn)行:(I)彈性體表面波形設(shè)計(jì)；(2)彈性體表面波形制備；(3)彈性體表面修飾；(4)導(dǎo)電層制備與修飾；(5)彈性體與導(dǎo)電層表面復(fù)合。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種導(dǎo)電彈性復(fù)合材料的構(gòu)建及制備方案，屬于可拉伸電子學(xué)領(lǐng)域，更確切的指，一種可在拉伸、收縮時保持高電阻穩(wěn)定性的導(dǎo)電彈性體的構(gòu)建及制備方案。本發(fā)明涉及的高拉伸導(dǎo)電彈性體包括兩個主要組成部分，彈性體和導(dǎo)電層。導(dǎo)電層采用石墨烯、碳納米管等導(dǎo)電材料作為基本導(dǎo)電單元，彈性體作為基本結(jié)構(gòu)單元。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該材料整體電導(dǎo)率達(dá)到10Scm-1；彈性應(yīng)變可達(dá)600%-1000%；反復(fù)拉伸10000次電阻變化<10%。本發(fā)明作為柔性可拉伸電子器件的基礎(chǔ)材料，可廣泛應(yīng)于醫(yī)學(xué)移植、智能服裝、人工智能、仿生材料等。
【IPC分類】H01B5-14, H01B13-008
【公開號】CN104538088
【申請?zhí)枴緾N201410840099
【發(fā)明人】劉遵峰, 賈鳳美, 劉倩, 姜楠, 種玉婷
【申請人】江南石墨烯研究院, 常州碳宇納米科技有限公司
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年12月30日