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文檔簡介
凝膠和彈性體的電阻通常隨著拉伸應(yīng)變而增大,這限制了它們的導(dǎo)電穩(wěn)定性。為了獲得高電導(dǎo)率,相關(guān)報道已經(jīng)研究了將導(dǎo)電填料如金屬顆粒、導(dǎo)電聚合物、MXene、碳納米管和石墨烯摻入凝膠基質(zhì)中的方法。但由于剛性導(dǎo)電填料與凝膠基質(zhì)的相互作用較差,凝膠的斷裂應(yīng)變、拉伸強度和韌性等力學(xué)性能會降低。同時,為了在實際應(yīng)用中穩(wěn)定有效地傳輸電信號,凝膠必須具有應(yīng)變不敏感的電學(xué)性能。而剛性填料在凝膠拉伸過程中無法變形,無法形成導(dǎo)電通路,導(dǎo)致凝膠的電阻增加。因此,制備具有高強度和高導(dǎo)電性,并且能夠在拉伸下保持導(dǎo)電穩(wěn)定性的凝膠仍然是一個挑戰(zhàn)。為了解決這一問題,蘇州大學(xué)團隊通過銀納米線(AgNWs)、液態(tài)金屬(LM)顆粒和聚乙烯醇(PVA)納米晶體的拉伸誘導(dǎo)取向?qū)崿F(xiàn)了高導(dǎo)電韌性PVA-AgNWs-LM(PAL)凝膠。這種創(chuàng)新方法協(xié)同增強了凝膠的力學(xué)性能,顯著提高了極限斷裂應(yīng)力(13-33MPa)、應(yīng)變(3000%-5300%)和韌性(390.9-765.1MJm-3)。同時可以實現(xiàn)應(yīng)變增強電導(dǎo)率和應(yīng)變不敏感的電學(xué)性能,在應(yīng)變載荷下,凝膠的電導(dǎo)率比初始狀態(tài)提高了6000倍。拉伸誘導(dǎo)的PVA納米晶、可變形LM和AgNWs可以有效地緩解裂紋尖端的應(yīng)力集中,賦予凝膠裂紋擴展不敏感性和抗疲勞性??赡娼宦?lián)網(wǎng)絡(luò)允許損壞的凝膠被回收并重新制備?!綪AL凝膠的制備和表征】圖1.
PAL凝膠的制備過程和拉伸誘導(dǎo)的三重取向的示意圖。圖1顯示了PAL凝膠的制備過程。95°C下將LM顆粒和AgNWs添加到PVA溶液中,以獲得凝膠前驅(qū)體溶液。將制備的前驅(qū)體溶液轉(zhuǎn)移到硅膠模具中進行水揮發(fā)步驟,水揮發(fā)過程中由于分子鏈纏結(jié)和可逆鍵相互作用形成PAL凝膠。AgNWs和LM顆粒可以很好地分散在凝膠中,LM顆粒外層的Ga2O3可以與PVA分子鏈的羥基相互作用,使LM顆粒與PVA具有良好的相容性,避免了LM的泄漏。當(dāng)受到應(yīng)變載荷時,AgNWs、LM顆粒和PVA結(jié)晶發(fā)生取向,以協(xié)同增強凝膠的機械性能。取向的LM顆粒和AgNWs形成導(dǎo)電通路,進一步增強了凝膠的導(dǎo)電性。圖2.PAL凝膠的微觀表征研究者對凝膠進行了微觀表征(圖2),表明LM顆粒能夠在凝膠中均勻分布,且與PVA分子鏈之間存在相互作用。SAXS和WAXS圖譜證明了在拉伸時凝膠內(nèi)的PVA納米晶、LM顆粒和AgNWs都發(fā)生了取向。這種三重取向效應(yīng)可以協(xié)同增強凝膠的力學(xué)性能,取向的LM顆粒和AgNWs可以在應(yīng)變加載過程中形成導(dǎo)電通路來增強凝膠的導(dǎo)電性?!綪AL凝膠的力學(xué)性能】圖3.PAL凝膠的機械性能PAL凝膠表現(xiàn)出高的楊氏模量和韌性,其高機械性能源于PVA聚合物鏈之間由低含水量而產(chǎn)生的強烈相互作用,LM顆粒對PVA表現(xiàn)出塑化效果。同時,凝膠中存在的非共價交聯(lián)的聚合物基體、拉伸誘導(dǎo)產(chǎn)生的PVA納米晶體以及在拉伸方向上取向的AgNWs和LM顆粒協(xié)同作用,可以有效地消除和轉(zhuǎn)移應(yīng)力集中,使PAL凝膠具有良好的抗撕裂性能?!纠煺T導(dǎo)電導(dǎo)率增強】圖4.PAL凝膠的拉伸誘導(dǎo)導(dǎo)電性增強PAL凝膠在拉伸時呈現(xiàn)出顯著的電導(dǎo)率增強的現(xiàn)象(圖4),當(dāng)拉伸到4200%應(yīng)變時,PAL-3凝膠的電導(dǎo)率增加了6000倍以上。這種電導(dǎo)率的顯著增加超過了理論電阻常數(shù)導(dǎo)體,使PAL-3凝膠表現(xiàn)為在高應(yīng)變下的電阻降低。這種反常的電學(xué)現(xiàn)象是由于LM顆粒和AgNWs在拉伸過程中取向,使PAL凝膠中形成導(dǎo)電通路,顯著提高了電導(dǎo)率。有限元分析模擬拉伸過程中PAL凝膠內(nèi)部的LM顆粒和AgNWs的取向行為也與實驗結(jié)果相一致?!綪AL凝膠的應(yīng)用和可回收性】圖5.PAL凝膠的應(yīng)用和可回收性得益于拉伸誘導(dǎo)的電導(dǎo)率增強效應(yīng),PAL-3凝膠的電學(xué)性能表現(xiàn)為對應(yīng)變的不敏感。循環(huán)拉伸試驗也表明PAL凝膠具有良好的穩(wěn)定性。同時,可逆交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)允許損壞的凝膠被回收并重新制備?!窘Y(jié)論與展望】該研究通過拉伸誘導(dǎo)AgNWs、LM顆粒和PVA納米晶取向制備高導(dǎo)電性和高韌性PAL凝膠。制備的凝膠具有良好的力學(xué)性能,應(yīng)變下取向的LM顆粒和A
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