中科院福建物构所：基于离子凝胶弹性体3D打印的自修复电子皮肤

来源：高分子科技

导电弹性体在人造皮肤、电致发光器件、可穿戴设备和微纳发电机等多功能柔性电子器件领域具有明显的优势。弹性体作为一种新型的导电材料，能够探测到拉伸、弯曲、扭转等引起的外界刺激，并将其转化为相应的电阻、电容、电流等电信号。目前，大多数报道的导电凝胶弹性体主要分为水凝胶基和离子凝胶基两种。前者因其优异的机械和电气性能而受到青睐，但由于溶剂容易蒸发而失去了电子器件的功能。后者主要由离子液体(ILs)组成，尽管具有可忽略不计的蒸汽压和非挥发性，但仍有液体泄漏的危险。此外，导电添加剂(如:(如导电聚合物、碳基材料、金属材料)通常被添加到弹性体基体中，以赋予柔性材料卓越的导电性。然而，导电填料的引入伴随着机械性能和电气性能之间的权衡，因为这两种性能在材料系统中经常是矛盾的。因此，制备一种具有良好稳定性、机械性能和电性能的多功能柔性传感器仍然是一个巨大的挑战。

图1. 双网络LFCIg的合成原理及物理性能。

近期，中国科学院福建物质结构研究所官轮辉研究员团队基于深度共晶溶剂(DES)的双网络设计方法，制备了一种性能优异的无液体导电离子凝胶(LFCIg)。通过调整DES中各组分的含量，获得了具有优异性能的导电弹性体，包括优异的机械强度(2100%应变，同时保持1.23 MPa断裂强度)、优异的导电性(23.3 mS m-1)和优异的3D打印性能。同时，LFCIg还具有非挥发性、自愈性等特性，为柔性电子器件的稳定性锦上添花。这是迄今为止报道的性能最全面的无液体离子凝胶之一。此外，基于LFCIg的柔性拉伸应变传感器已被开发用于识别机器人的手势形式，该传感器可以快速将机械刺激转换为电信号，以展示柔性可穿戴设备的潜在应用。有趣的是，具有触觉感知功能的电子皮肤是通过在柔性电极上原位3D打印传感器阵列形成。电子皮肤的触觉感应系统展示了其检测轻微重量物体并识别由此产生的空间压力变化的能力。总之，材料的优异性能和增材制造工艺的灵活应用为柔性电子器件在可穿戴和智能方向的发展提供了广阔的前景。

图2 LFCIg的机械性能和自愈合性能

图3.基于LFCIg的电阻式传感器机电响应

图4.基于微结构设计的3D打印LFCIg制造。

图5. 基于LFCIg的电容式电子皮肤触觉传感系统

该工作以“A Liquid-Free Conducting Ionoelastomer for 3D Printable Multifunctional Self-Healing Electronic Skin with Tactile Sensing Capabilities”为题发表在《Mater. Horiz.》上。文章第一作者是福州大学机械学院-中科院福建物构所联合培养博士吴启锐。通讯作者为中科院福建物构所的黄建仁博士和官轮辉研究员。

该工作得到国家自然科学基金的资助。福州大学机械学院杨晓翔教授对该研究提供了帮助和指导。

该工作是官轮辉研究员团队近年来在多功能纳米复合材料的制备及应用与柔性可穿戴电子器件的设计及制造的相关研究中取得的进展之一。团队从复合材料的传感特性研究及多物理量响应机理分析出发（J. Mater. Chem. A 2021, 9, 23243.）,通过多尺度的弹性体的结构化设计及规模化传感器阵列加工制造开发了一系列可穿戴和功能器件（J. Mater. Chem. A 2023, 4977.；Mater. Horizons., 2023, 10, 1012；Chem. Eng. J. 2022, 454, 140328；Advanced Science, 2023: 2301116），利用先进集成工艺实现了基于柔性功能元件与储能器件的自供能传感系统的开发（Mater. Horizon., 2020, 7, 2085-2096；；J. Mater. Chem. A., 2021, 9, 16345-16358；Adv. Funct. Mater., 2022, 2205708）。


原文链接：https://doi.org/10.1039/D3MH00612C