武汉纺织大学姜明团队 AFM：具有长周期稳定性的超韧室温介电开关离子凝胶

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作为下一代智能电子传感设备的关键材料之一，当前热响应介电材料面临两个关键挑战：机械韧性不足以及缺乏高介电开关比、良好的机械性能和长循环稳定性的有效结合。在此，姜明团队提出了一种新的可扩展策略，用于设计新型热响应介电开关材料，该材料基于一种首次被提出的双介电开关机理，同时将室温高介电开关比、出色的机械性能和良好的高低温循环稳定性集成到一种凝胶中。界面结构演化诱导的双介电开关机制使得离子凝胶可以轻松实现显著的可逆介电双稳态、高于150的高介电开关比、约15 °C 热滞回线宽度、可调节的室温介电转变行为、优异的延展性、理想的高机械强度以及 1000 次以上的高循环稳定性。这种一体化设计增强了介电开关凝胶应对多种应用场景的适应性、耐用性和使用寿命。再加上简单和低能耗的制造工艺和可回收的热塑性聚合物基体，从而有助于节约能源和降低成本，该研究为构建理想的热响应介电开关材料提供了一种可行且可升级的高效策略。

该研究以“Ultra-Tough Room-Temperature Dielectric Switching Ionic Gels with Long-Cycle Stability”为题发表在《Advanced Functional Materials》上（Adv. Funct. Mater. 2022, 2207452）。武汉纺织大学为该论文的第一署名单位，材料学院姜明副教授为论文唯一通讯作者，材料学院硕士研究生龚钰铁为论文第一作者。该项工作得到了国家自然科学基金（51503158）的资助。

图1 凝胶的介电开关行为。

由于凝胶中十八烷的结晶-熔融相变，导致介电开关凝胶存在三种状态。具有高介电态、硬而强、不透明的State Ⅰ，具有低介电态、软而韧、透明的State Ⅲ，以及处于过渡中间态的State Ⅱ。介电转变来自于烷烃相变过程中的微观界面演化，进而导致离子渗流和界面极化两种竞争共存机制的发生。凝胶机械性能的变化来自于结晶和熔融态烷烃对于应力的不同响应。光学状态的转变则源于烷烃的结晶/熔融态转变。

由于凝胶各组分间良好的相容性以及正构烷烃优异的可逆相变能力，凝胶显示出良好的长循环稳定性。在1000次循环后几乎100%的ε_r保留率，确保了复合材料在潜在应用中的稳定性和可靠性。此外，其他具有类似分子结构但相变点不同的正构烷烃相变材料，如十六烷和二十烷，可用于替换十八烷，来调节介电凝胶的开关触发温度，证明了该系统中介电转变温度的可调性。

图2 凝胶的介电切换比、介电切换温度和循环稳定性。

该凝胶不仅具有优异的介电开关性能和力学切换性能，而且具有令人印象深刻的韧性和弹性。在State Ⅲ下可拉伸至3000%，并允许在拉伸至1500%后快速完全回复。在State Ⅰ和State Ⅲ中都表现出优异的柔韧性，可以以任何方式折叠，承受拉伸应力和抵抗外部冲击。

图3 凝胶的力学性能。

在这项工作中，姜明团队基于界面结构演化诱导的新的双开关机制，开发了具有显著介电开关性能和机械性能的热响应介电开关材料。热诱导相变引起的界面结构的形成和坍塌导致界面极化和离子渗流行为的显著变化，最终导致明显的介电双稳态。这有助于解释其优异介电开关特性。除了独特的介电双稳态、高介电开关比、宽热滞回线和可调的室温介电转变行为之外，凝胶还表现出高韧性、高弹性（断裂伸长率为3045%、拉伸强度为2.87 MPa和26.45 MJ∙m^-3的韧性）和高温度循环稳定性的结合。通过使用简单的制造工艺和可回收的热塑性系统，这种一体化设计增强了介电开关凝胶对多种应用场景的适应性、耐久性和寿命。基于介电开关凝胶的卓越性能，相信，它可能为新型温度响应材料和智能电子器件的开发提供一条新的途径。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202207452

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