1000次破坏测试后,电修复效率高达100%的高导电性纳米复合材料

可修复和可模塑的导电材料在人造皮肤、物联网和生物电子学等电子领域中受到了广泛的关注。由于机械/电气损伤后的可恢复性或对外界刺激的响应性,可修复材料是高性能电子设备的重要组成部分。然而,可修复材料的实际应用由于导电率低和在断裂/修复循环后的不可逆降解而受到阻碍。

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韩国成均馆大学Daewoo Suh等研究人员报道了一种高导电性、完全可逆的电子隧穿辅助的银纳米卫星(AgNS)粒子渗流网络,制备了一种油灰状的可模塑和可修复纳米复合材料该材料电导率大大增加,由于渗流网络依赖于电子隧穿而不是填料的物理结合,即使经1000次断裂/修复循环后仍能维持100%的电修复效率,并且在水浸和暴露于环境空气6个月的情况下仍具有高稳定性。这种高导电性的可模塑纳米复合材料可以应用于改善和修复电气零件,在未来的电子材料领域具有广泛的应用潜力!

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AgNS-AgFL-SR纳米复合材料的制备

如图1所示,利用四氢呋喃(THF)过氧化物在可修复硅橡胶(SR)基质中对银薄片(AgFLs)进行独特的自由基和活性氧介导的剧烈刻蚀和还原反应,生成具有层次结构的AgNS颗粒。AgNS颗粒的产生将AgNS-AgFL-SR纳米复合材料的颜色变为深棕色,而AgFL-SR纳米复合材料(在SR中用THF处理的AgFLs)为浅灰色。

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图1.分层结构的AgNS颗粒的合成及化学机理示意图

AgNS-AgFL-SR纳米复合材料的电传输性能

图2显示了AgNS-AgFL-SR纳米复合材料的电导率σ随初始混合物中THF过氧化物量的变化。AgFL-SR样品在没有THF过氧化物的条件下合成,其σ仅为8.64×10-3 Scm-1。而在最佳THF过氧化物量(15ml)下,电导率提高了约5个数量级。这是惊人的,因为仅通过AgNS粒子的电子隧穿,而无需固化诱导的填料物理结合,即可构建高导电性电渗滤网络。

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图2.AgNS-AgFL-SR纳米复合材料的电导率与初始混合物中THF过氧化物量的关系。

AgNS-AgFL-SR纳米复合材料良好的电传输和修复机制

图3显示了AgNS-AgFL-SR纳米复合材料的机械和电气修复过程。 可修复性通常源于聚合物的动态化学键。因为SR既包含氢键供体又包含氢键受体,所以它的可修复性归因于氢键。分叉的AgNS-AgFL-SR纳米复合材料通过手指轻触约2 s即可修复(图3a和b)。图3c显示了在断裂/修复周期中AgNS-AgFL-SR纳米复合材料的电阻R的变化。标本分叉后,R增加到无穷大。轻轻触摸分叉的样品,它立即恢复到初始值,即使经过1000次断裂/修复循环,AgNS-AgFL-SR纳米复合材料的σ仍能被完全恢复(电修复效率约100%)(图3d)。

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图3.AgNS-AgFL-SR纳米复合材料的可修复电传输示意图

AgNS-AgFL-SR纳米复合材料的可模塑性

图4显示了AgNS-AgFL-SR纳米复合材料出色的宏观和微观可模塑性。通过简单的模制工艺可以容易地形成各种不同的形状。

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图4.AgNS-AgFL-SR纳米复合材料的宏观和微观尺度

应用演示

机器人使用AgNS-AgFL-SR纳米复合材料进行了紧急电子维修演示,如图5所示。这对于因有毒气体泄漏和高温而导致人类无法进入的地方发生的事故非常有用。排气扇连接到可修复的纳米复合材料电路,加热该回路到200°C,在恶劣条件下去除有毒气体(图5a)。模拟了电路被切断、有毒气体积聚和气体浓度高于安全水平的情况(图5b和c)。一个机器人被派往紧急地点,修复了AgNS-AgFL-SR电路(图5d)。风机重新启动,排出有毒气体,并将气体浓度降至安全水平以下(图5e)。

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图5 AgNS-AgFL-SR纳米复合材料的机器人应用演示

 

总结

在本篇文章中,研究人员制备了一种油灰状可模塑和可修复AgNS-AgFL-SR纳米复合材料。该材料电导率增加了约5个数量级,即使在1000次断裂/修复循环后仍能维持100%的电修复效率,并且在水浸和暴露于环境空气6个月的情况下仍具有稳定性。本文还提到了机器人进行的紧急电子维修演示。我们相信这种高导电、可模塑、可修复和稳定的AgNS-AgFL-SR纳米复合材料在未来的电子材料领域能得到很好的应用。

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15709-8

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