中国科大龚兴龙教授课题组《ACS AMI》：基于荚状接触轻质液态金属泡沫球的柔性可拉伸弹性体复合材料

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近年来，随着可穿戴电子设备和软体机器人研究的不断深入，柔性导电复合材料得到了广泛的发展。镓基液态金属(LM)，因其高导电/导热性、低毒性和极好的流动性，成为制造柔性导电复合材料的最佳选择。将LM均匀分散到复合材料基体中，是提高复合材料导电性和传感性能的常用策略。然而这种方法往往需要大量的LM，增加了材料的整体密度和制造成本，极大地限制了其在质量敏感领域的应用。轻质填充材料为减轻LM聚合物的质量提供了多样化的选择，其中泡沫微球以其低廉的价格和极小的密度给轻质LM导电复合材料的制造开辟了新的途径。然而，兼具轻质和高导电稳定性的LM复合材料的研发及其导电机理的探究依然是一个挑战，这对进一步提升LM基复合材料的应用潜力具有重要意义。中国科学技术大学龚兴龙教授团队报告了一种由豆荚状接触的轻质液态金属泡沫球（LMS）和聚二甲基硅氧烷基体（PDMS）组成的弹性体复合材料。使用轻质的LMS减少了制备过程中LM的用量，降低了复合材料的质量，同时保证了良好的导电性和机械鲁棒性。系统地研究了不同熔点的LMS之间的界面接触传导机制并探究了含不同接触类型LMS复合材料的应变灵敏性。此外，成功地将复合材料开发为多功能传感器，用于监测人体活动、温度变化甚至水下振动，显示了其在下一代传感器和电子器件方面的巨大应用潜力。相关研究以“Flexible and Stretchable Elastomer Composites Based on Lightweight Liquid Metal Foam Spheres with Pod-Like Contacts”为题发表于最新一期《ACS Applied Materials & Interfaces》上，论文第一作者为中国科学技术大学工程科学学院博士生何小康，通讯作者为龚兴龙教授及宣守虎教授。

【LMS/PDMS复合材料的制备】

图1显示了LMS/PDMS复合材料的制备过程。首先，将GaInSn和CIPs混合得到磁性液态金属（MLM）。然后在MLM中加入PP泡沫颗粒，搅拌后，泡沫颗粒被MLM完全包裹，得到了GaInSn泡沫球（GaInSn-LMS）。使用液态镓（Ga-LMS）和高熔点液态金属（BiPbIn-LMS）可以分别获得熔点更高的液态金属泡沫球。然后，将PDMS前驱体和固化剂的混合物浇筑在具有矩形突起的3D打印模具上。固化脱模后得到具有矩形凹槽的PDMS膜，将LMS填充在矩形凹槽内，并再次用PDMS前驱体和固化剂的混合物封装。最后，经过固化和切割就得到了豆荚状接触的液态金属泡沫球填充弹性体（LMS/PDMS）复合材料。GaInSn-LMS和BiPbIn-LMS之间有三种基本组合，即液-液、液-固和固-固。包含这三种基本组合的复合材料分别被标记为LL-LMS/PDMS、LS-LMS/PDMS和SS-LMS/PDMS。与纯液态金属液滴（LMD）相比，LMS不仅质量更轻，而且在不同的基底上有着更大的接触角，反映出良好的非湿润特性（图2）。

图1. LMS/PDMS复合材料的制备示意图图2. LMS的形貌表征
【LMS/PDMS复合材料的力学性能】三种复合材料LL-LMS/PDMS、LS-LMS/PDMS和SS-LMS/PDMS在拉伸和弯曲时都具有稳定的力学性能（图3）。L-L和S-S型复合材料的最大弯曲力分别为0.2 N和0.28 N，两者都比较小，这表明LMS/PDMS复合材料的PDMS基体非常柔软。对于LL-LMS/PDMS复合材料，最大弯曲力随着压缩位移的增加而增加，在不同的弯曲程度下，复合材料表现出良好的自我恢复特性。在加载过程中，泡沫颗粒能够保持形状稳定，LM外壳仍会覆盖泡沫颗粒而不破裂。所有这些结果表明，制造的LMS/PDMS复合材料具有良好的灵活性和机械稳定性。图3. LMS/PDMS复合材料的力学性能
【基于不同接触模式的应变敏感导电性】不同的LMS接触模式赋予了复合材料多样化的应变敏感导电性（图4）。LL-LMS/PDMS复合材料的相对电阻变化随着应变单调增加，最大应变能够达到230%。对于LS-LMS/PDMS型复合材料，当应变超过60%时，相对电阻的变化急剧增加，BiPbIn-LMS的加入使得LS-LMS/PDMS复合材料的导电性对应变更加敏感。在各种阶梯应变下， LL-LMS/PDMS和LS-LMS/PDMS复合材料的相对电阻变化曲线都具有很好的对称性，体现出良好的电稳定性和应变敏感的导电性。与上述两种复合材料不同，当应变大于5%时，SS-LMS/PDMS复合材料从导体变成了绝缘体。将以8%的应变拉伸的复合材料放在150 ℃的热板上，40 s后电阻突然下降，但复合材料仍处于绝缘状态。然后电阻继续下降并恢复到初始值，表明SS-LMS/PDMS复合材料的导电性可以随温度发生变化。图4. LMS/PDMS复合材料的应变敏感导电性
【LMS/PDMS复合材料的电热性能】基于LM优异的导热性和导电性，LMS/PDMS复合材料也表现出良好的电热性能。制备了含有螺旋状LMS组合的LMS/PDMS复合材料作为加热器（图5）。含有L-L接触模式的加热器具有较高的热导率，并且在室温下拥有稳定的加热性能和快速的热响应。施加2.0 A的电流时，加热器的温度可以在很短的时间内（约30 s）迅速上升到70 ℃。此外，该加热器还可用于加热水和融化冰块。当电流增加时，加热器会产生更多的热量。这表明LMS/PDMS复合材料拥有良好的电热性能和加热能力，在电加热器和除冰方面显示出广泛的应用前景。图5. LMS/PDMS复合材料的电热性能及应用
【多功能传感器的开发】最后，基于LMS/PDMS复合材料良好的力学性能和令人满意的机械灵敏度，将其开发为多用途的传感器（图6）。利用LS-LMS/PDMS复合材料可以检测到手指和肘部的弯曲过程并且可以准确地反映了水中物体的不同振动频率。此外，使用SS-LMS/PDMS复合材料作为温度传感器，实现了不同温度范围内的温度预警功能，能够准确监测热带鱼缸的水温变化（图7），显示了在温度报警装置中的良好适用性。图6. 基于LMS/PDMS复合材料的多用途传感器
图7. 鱼缸温度预警装置本研究开发了含有不同接触模式的轻质豆荚状液态金属泡沫球的LMS/PDMS复合材料。不同熔点的LMS之间的三种界面接触模式赋予了该复合材料不同的电学性能和应变敏感的导电性。得益于液态金属的高导热性，该复合材料还具有良好的电热性能，能够作为电加热器使用。此外，基于LMS/PDMS复合材料的多功能传感器能够检测人体运动、冲击压力和水下振动信号。同时，该复合材料还被用作温度传感器，较高的灵敏度使其能够作为热带鱼缸的温度报警装置。该复合材料良好的导电和传感性能为柔性电子和可穿戴传感器的应用提供了一个新的策略。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.2c19621

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