1000次破壞測試後,電修復效率高達100%的高導電性納米復合材料

可修復和可模塑的導電材料在人造皮膚、物聯網和生物電子學等電子領域中受到瞭廣泛的關註。由於機械/電氣損傷後的可恢復性或對外界刺激的響應性,可修復材料是高性能電子設備的重要組成部分。然而,可修復材料的實際應用由於導電率低和在斷裂/修復循環後的不可逆降解而受到阻礙。

韓國成均館大學Daewoo Suh等研究人員報道瞭一種高導電性、完全可逆的電子隧穿輔助的銀納米衛星(AgNS)粒子滲流網絡,制備瞭一種油灰狀的可模塑和可修復納米復合材料該材料電導率大大增加,由於滲流網絡依賴於電子隧穿而不是填料的物理結合,即使經1000次斷裂/修復循環後仍能維持100%的電修復效率,並且在水浸和暴露於環境空氣6個月的情況下仍具有高穩定性。這種高導電性的可模塑納米復合材料可以應用於改善和修復電氣零件,在未來的電子材料領域具有廣泛的應用潛力!

AgNS-AgFL-SR納米復合材料的制備

如圖1所示,利用四氫呋喃(THF)過氧化物在可修復矽橡膠(SR)基質中對銀薄片(AgFLs)進行獨特的自由基和活性氧介導的劇烈刻蝕和還原反應,生成具有層次結構的AgNS顆粒。AgNS顆粒的產生將AgNS-AgFL-SR納米復合材料的顏色變為深棕色,而AgFL-SR納米復合材料(在SR中用THF處理的AgFLs)為淺灰色。

圖1.分層結構的AgNS顆粒的合成及化學機理示意圖

AgNS-AgFL-SR納米復合材料的電傳輸性能

圖2顯示瞭AgNS-AgFL-SR納米復合材料的電導率σ隨初始混合物中THF過氧化物量的變化。AgFL-SR樣品在沒有THF過氧化物的條件下合成,其σ僅為8.64×10-3 Scm-1。而在最佳THF過氧化物量(15ml)下,電導率提高瞭約5個數量級。這是驚人的,因為僅通過AgNS粒子的電子隧穿,而無需固化誘導的填料物理結合,即可構建高導電性電滲濾網絡。

圖2.AgNS-AgFL-SR納米復合材料的電導率與初始混合物中THF過氧化物量的關系。

AgNS-AgFL-SR納米復合材料良好的電傳輸和修復機制

圖3顯示瞭AgNS-AgFL-SR納米復合材料的機械和電氣修復過程。 可修復性通常源於聚合物的動態化學鍵。因為SR既包含氫鍵供體又包含氫鍵受體,所以它的可修復性歸因於氫鍵。分叉的AgNS-AgFL-SR納米復合材料通過手指輕觸約2 s即可修復(圖3a和b)。圖3c顯示瞭在斷裂/修復周期中AgNS-AgFL-SR納米復合材料的電阻R的變化。標本分叉後,R增加到無窮大。輕輕觸摸分叉的樣品,它立即恢復到初始值,即使經過1000次斷裂/修復循環,AgNS-AgFL-SR納米復合材料的σ仍能被完全恢復(電修復效率約100%)(圖3d)。

圖3.AgNS-AgFL-SR納米復合材料的可修復電傳輸示意圖

AgNS-AgFL-SR納米復合材料的可模塑性

圖4顯示瞭AgNS-AgFL-SR納米復合材料出色的宏觀和微觀可模塑性。通過簡單的模制工藝可以容易地形成各種不同的形狀。

圖4.AgNS-AgFL-SR納米復合材料的宏觀和微觀尺度

應用演示

機器人使用AgNS-AgFL-SR納米復合材料進行瞭緊急電子維修演示,如圖5所示。這對於因有毒氣體泄漏和高溫而導致人類無法進入的地方發生的事故非常有用。排氣扇連接到可修復的納米復合材料電路,加熱該回路到200°C,在惡劣條件下去除有毒氣體(圖5a)。模擬瞭電路被切斷、有毒氣體積聚和氣體濃度高於安全水平的情況(圖5b和c)。一個機器人被派往緊急地點,修復瞭AgNS-AgFL-SR電路(圖5d)。風機重新啟動,排出有毒氣體,並將氣體濃度降至安全水平以下(圖5e)。

圖5 AgNS-AgFL-SR納米復合材料的機器人應用演示

總結

在本篇文章中,研究人員制備瞭一種油灰狀可模塑和可修復AgNS-AgFL-SR納米復合材料。該材料電導率增加瞭約5個數量級,即使在1000次斷裂/修復循環後仍能維持100%的電修復效率,並且在水浸和暴露於環境空氣6個月的情況下仍具有穩定性。本文還提到瞭機器人進行的緊急電子維修演示。我們相信這種高導電、可模塑、可修復和穩定的AgNS-AgFL-SR納米復合材料在未來的電子材料領域能得到很好的應用。

原文鏈接:

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

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