无液体导电离子弹性材料用于3D 打印多功能自愈电子皮肤

研究背景

导电弹性体在多功能柔性电子设备领域呈现出明显的优势，如人造皮肤、电致发光设备、可穿戴设备和微纳发电机。作为一种新的导电材料，弹性体可以检测由拉伸、弯曲和扭曲引起的外部刺激，并将其转化为相应的电信号，如电阻、电容和电流。前者因其出色的机械和电气性能而受到青睐，但由于溶剂容易挥发而失去了电子设备的功能。后者主要由离子液体(ls)组成，尽管表现出可忽略不计的蒸汽压力和非挥发性的特性，但仍有液体泄漏的风险。此外，导电添加剂 (如导电聚合物、碳基材料和金属材料)经常被添加到弹性体基体中，以赋予柔性材料卓越的导电能力。然而，导电填料的引入伴随着机械和电气性能之间的权衡，因为这两种性能在一个材料系统中往往是相互矛盾的。因此，制备一种具有令人钦佩的稳定性、机械性能和电气性能的多功能柔性传感器仍然是一个巨大的挑战。

目前，柔性电子设备正朝着更加个性化、功能化和舒适化的方向稳步发展。传统的柔性可穿戴设备通常采用平版印刷、沉积和侵蚀技术制造，这需要一些苛刻的技术要求。由于其创造复杂结构的能力，3D 打印被成功地应用于柔性机器人、传感器和电子皮肤(e-skins)。数字光处理(DLP) 由于其显著的优势在不同的 3D 打印技术中脱颖而出，它包含了快速的打印速度、卓越的分辨率和可承受的成本。此外，通过3D 打印技术个性化制造柔性功能设备已经引起了广泛关注，但基于 DLP-3D 打印技术的离子凝胶的发展仍是个待解决的矛盾。

研究成果

兼具柔软性和导电性的导电弹性体被广泛用于柔性电子领域。然而，导电弹性体通常表现出突出的问题，如溶剂挥发和泄漏，以及较差的机械和导电性能，这限制了它们在电子皮肤(e-skin)中的应用。在这项工作中，中科院福建物质结构研究所官轮辉研究员团队通过利用基于深度共晶溶剂（DES）的创新双网络设计方法，制备了一种性能优异的无液体导电离子凝胶（LFCIg）。双网LFCIg通过动态非共价键交联表现出优异的机械性能(在保持1.23 Mpa的断裂强度的同时具有2100%的应变能力)和>90%的自愈效率，以及23.3 ms的超强电导率和3D 打印能力。此外，基于LFCIg 的导电弹性体已被开发成一个可拉伸的应变传感器，实现了对不同机器人手势的准确响应识别、分类和鉴定。更令人印象深刻的是，通过在柔性电极上原位 3D 打印传感器阵列，生产出具有触觉感应功能的电子皮肤，以检测轻质物体并识别由此产生的空间压力变化。总之，这些结果表明，所设计的LFCIg 具有无可比拟的优势，在柔性机器人、电子皮肤和生理信号监测方面具有广泛的应用潜力。相关研究以“A liquid-free conducting ionoelastomer for 3D printable multifunctional self-healing electronic skin with tactile sensing capabilities”为题发表在Materials Horizons期刊上。

图文导读

Fig. 1 Synthesis principle and physical properties of the double-network LFCIg.

Fig. 2 (a) The stress–strain curves of LFCIg with different ChCl contents. (b) Conductivity and tensile strength of ionogels with different ChCl contents. (c) Comparison of the LFCIg with previously studied materials in terms of conductivity and strain. (d) Stress–stretch curves of the original film and healed specimens. (e) Resistance changes of LFCIg during the cutting and contacting process. (f) Comparison of the LFCIg with previously studied materials in terms of recovery time and self-healing efficiency. (g) Self-healing process of ionogel.

Fig. 3 Electromechanical response of the resistance-type sensor based on LFCIg.

Fig. 4 Fabrication of 3D printing LFCIg based on microstructure design.

Fig. 5 Tactile sensing system for capacitive electronic skin based on LFCIg.

总结与展望

综上所述，作者展示了一种无液体的导电离子凝胶，它通过动态非共价键具有软性聚合物网络和刚性网络的双重网络。这种材料克服了与传统离子导电材料相关的一些缺点，因为它表现出显著的机械性能、导电性、环境稳定性和自我修复能力。此外，还展示了一种基于该材料的高敏感特性的柔性可拉伸应变传感器，它可以准确地收集机器人的手势运动信号。这些器件基本上不存在渗漏和蒸发的问题，确保了柔性电子设备的长期稳定运行。LFCIg 还展示了令人印象深刻的 3D 打印能力，可以精确创建各种复杂的微结构。更有趣的是，LFCIg 的3D 打印能力与丝网印刷技术相结合，建立了一个具有感知功能的电子皮肤触觉感应系统。所建立的电子皮肤能够准确地检测和识别由轻质物体引起的空间压力变化，表明其在柔性智能设备和众多其他传感领域具有广泛的潜在应用。

文献链接

A liquid-free conducting ionoelastomer for 3D printable multifunctional self-healing electronic skin with tactile sensing capabilities

https://doi.org/10.1039/d3mh00612c

转自：“i学术i科研”微信公众号

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