柔性可拉伸电子器件近年来的飞速发展促进了可拉伸导电材料的广泛研究。其中，导电弹性体由于其出色的拉伸性能、优越的透明性和全固态特性等优点而备受关注。导电弹性体可以用来制作柔性可拉伸器件（包括传感器、驱动器、电缆等）及其组件（如电极、电线等）。当前，导电弹性体的制备主要是基于将导电填料复合到弹性体基体中，典型的填料包括固态导电填料（如金属、碳、导电高分子等）和液态导电填料（如液态金属、液态电解质等）。然而，固态导电填料不可避免的牺牲了弹性体的拉伸性能和透明性能，而液态导电填料的复合方法复杂、存在泄漏风险等问题限制了其应用场景。因此，开发兼顾拉伸和透明性能且方便制备的导电弹性体材料可极大地拓宽其应用领域，但目前仍有较大挑战。
鉴于此，香港中文大学（深圳）朱世平和张祺团队提出一种制备简单的本征导电弹性体（离子弹性体）来实现兼顾拉伸和透明性能的目的。该研究成果以“Highly Transparent, Stretchable, and Conducting Ionoelastomers Based on Poly(ionic liquid)s”近期发表在ACS Applied Materials & Interfaces（doi: 10.1021/acsami.1c05833），香港中文大学（深圳）理工学院明小庆博士为论文第一作者，通讯作者为香港中文大学（深圳）理工学院朱世平教授和助理教授张祺博士。
图1. 本征导电弹性体（离子弹性体）的设计。(a) 离子以共价键链接到弹性体基体上，而反离子（[TFSI]）作为迁移电荷形成导电通路。（b）离子弹性体的高拉伸、高透明照片。（c）离子弹性体在400−800 nm范围的透光率。（d）离子电导率随温度的变化曲线。
图2.离子弹性体的电学性能和机械性能的调控。不同频率下的（a）阻抗模值和（b）负相位角。（c）Nyquist 曲线。（d）应力-应变曲线。（e）不同应变下的拉伸-回复曲线。（f）组成对离子电导率和杨氏模量的影响。
图3.离子弹性体的稳定性。（a）TGA曲线。（b）DSC曲线。（c）不同温度的空气中失重曲线。（d）金属-弹性体粘附力演示。（e）电化学稳定窗口测试。（f）应变对电导率的影响。
图4. 基于离子弹性体的水下传感器。 (a) 水下传感器的结构示意图。 (b) 不同手指弯曲角度的相对阻抗变化率。（c）相对阻抗变化率的响应来检测手指弯曲-释放的重复动作。(d) 相对阻抗变化率在不同手指动作频率下的响应。
图5. 基于离子弹性体的透明介电弹性体驱动器。（a）和（b）介电弹性体驱动器基本结构和工作原理。（c）基于离子弹性体的驱动效果。（d）基于离子凝胶的驱动效果。
离子弹性体的设计策略主要是将离子以共价键链接到弹性体基体上，而反离子作为迁移电荷形成导电通路。其中，离子液体单体（[EIC6A][TFSI]）提供良好的离子电导率，丙烯酸丁酯（BA）赋予弹性体优异的拉伸性能，二者良好的相容性则保证了材料的高透明性（图1）。通过简单的混合两种单体并交联固化，便可得到本征导电弹性体，其透光率高达96%，断裂应变可达1460%，室温电导率为4.17 × 10−5 S/cm。由此设计的离子弹性体没有任何固体或者液体导电填料的添加，从而避免了力学、透光率等由于复合导致的性能下降，以及无液体泄漏或者吸收湿气的风险。更重要的是，作为均相体系，这种本征导电弹性体有着优异的稳定性能，包括热稳定性、环境稳定性、电化学稳定性和电机械稳定性。该离子弹性体可成功地应用到水下传感器和透明介电弹性体驱动器上。
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https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c05833
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