拉伸誘導(dǎo)導(dǎo)電增強(qiáng)凝膠

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(qiáng)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(qiáng)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(tuán)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(qiáng)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(qiáng)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(kuò)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(jìn)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?？梢院芎玫胤稚⒃谀z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(qiáng)凝膠的機(jī)械性能。取向的LM顆粒和AgNWs形成導(dǎo)電通路，進(jìn)一步增強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)凝膠的導(dǎo)電性。【PAL凝膠的力學(xué)性能】圖3.PAL凝膠的機(jī)械性能PAL凝膠表現(xiàn)出高的楊氏模量和韌性，其高機(jī)械性能源于PVA聚合物鏈之間由低含水量而產(chǎn)生的強(qiáng)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。【拉伸誘導(dǎo)電導(dǎo)率增強(qiáng)】圖4.PAL凝膠的拉伸誘導(dǎo)導(dǎo)電性增強(qiáng)PAL凝膠在拉伸時呈現(xiàn)出顯著的電導(dǎo)率增強(qiáng)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(qiáng)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。【結(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