​刘天西教授/张超研究员团队《Sci. China Mater.》：受关节软骨启发构筑轻质、超弹和耐疲劳的聚合物导电海绵复合材料

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柔性力学传感器在智能服装、运动监测和人机界面等领域展现出巨大潜力，发展具有高灵敏度和宽检测范围的高性能柔性力学传感材料和器件已取得了积极进展。三维多孔聚合物海绵导体，由于其导电网络微观结构的高可设计性，可显著提高其在力学传感应用中的灵敏度和检测范围。然而，聚合物海绵导体在承受极端压缩和恶劣环境时，往往面临着机械脆性和导电网络易发生不可逆破坏等瓶颈问题。因此，发展轻质、超弹和耐疲劳的三维多孔聚合物海绵导体具有重要意义。

东华大学张超研究员和江南大学刘天西教授等人在Science China Materials发表研究论文，提出了表面受限雾化水模板策略，实现了在三维多孔聚合物海绵骨架表面构筑蜂窝状导电碳网络，获得了聚合物海绵承载蜂窝状碳网络的新型海绵导体(h-SCNTC)。由于蜂窝状碳网络的分级能量耗散机制，所制备的海绵导体在多次压缩形变过程中展现出优异的压缩回弹性能和良好的耐疲劳性。此外，蜂窝状碳网络具有优异的疏水性能，使得海绵导体在潮湿环境中甚至机器洗涤后仍具有良好的结构和传感性能稳定性。

图1. h-SCNTC的仿关节软骨结构设计思路及其可穿戴力学传感性能研究。（a）关节软骨分级多孔结构的示意图和光学显微照片；（b）h-SCNTC骨架表面蜂窝状碳网络结构的微观形貌图；（c）h-SCNTC在受力形变条件下的分级能量耗散机制；（d）h-SCNTC骨架表面蜂窝状碳网络结构应力耗散过程的有限元模拟；（e）h-SCNTC与海绵基体相比具有良好的疏水性；（f）h-SCNTC的柔性力学传感性能测试及结果。

研究亮点：
1）通过借鉴具有分级能量耗散机制的关节软骨结构，h-SCNTC展现出可快速恢复的压缩回弹性能、宽的压缩形变范围以及高的耐疲劳性。
2）由于在低和高压缩应变下分别具有蜂窝状导电碳网络结构的“连通-断开”机制和海绵导电骨架“形变-接触”机制，h-SCNTC具有高的应变承载能力以及宽应变范围下的高灵敏度等突出优势。
3）由于海绵骨架表面的蜂窝状碳网络具有疏水特性，h-SCNTC在高湿度环境甚至机器洗涤条件等恶劣环境下仍能保持良好的结构稳定性和力学传感性能。

原文链接：

Tianyi Zhu (朱天宜), Qichun Feng (封其春), Kening Wan (万可宁), Chao Zhang* (张超), Bin Li (李斌), Tianxi Liu* (刘天西). Articular cartilage-inspired 3D superelastic and fatigue-resistant spongy conductors against harsh environments. Sci. China Mater. (2022). 

https://doi.org/10.1007/s40843-022-2262-7

来源：中国科学杂志社

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