可穿戴材料与器件正朝着柔性、轻薄、无感、智能化和可长期佩戴等方向发展,以满足人体生理心理等个性化需求。这一趋势为运动健康监测领域带来了革新,并得到了学术界和工业界的广泛关注。然而,在满足人体个性化发展需求的同时,可穿戴柔性材料与器件本身也面临着机械鲁棒性、信号稳定性、软硬接口连接和生物相容性等性能方面的挑战。因此,本文旨在从实际运动健康监测需求的角度出发,讨论构建可穿戴柔性材料与器件的材料、结构和制备工艺。同时,深入探讨了其在机械、电气和生物性能等方面所面临的主要挑战因素及其解决路径。最后,预测了未来可穿戴柔性电子材料与器件的发展方向,包括全柔性集成、机械鲁棒性的增强、信号解耦与识别的高精度化、监测的稳定性与灵敏度、快速响应性、超薄无感设计、多模态信号处理以及智能化自适应反馈等。
柔性压力传感器可以附着在人体皮肤感知外界压力信号,且具有传感范围广、响应时间短、灵敏度和耐久性高等特点,因此被广泛应用于电子皮肤和人机交互等领域。柔性压力传感器通常由柔性基底、活性材料、导电电极组成。其中,一种或多种活性材料通过与柔性基底复合形成传感材料,其受外界刺激产生的变形会引起阻值等变化,进而实现传感功能。此外,通过引入微结构可增加传感材料的可压缩性以及对微小压力的敏感度,提升传感性能。本文围绕薄膜和织物两类基底,综述了在其中掺杂碳基、金属基与黑磷基等活性材料的柔性压力传感器的研究,重点论述了不同传感器的制备方法、机电性能与应用场景,总结了各类传感器的优缺点。在此基础上,对未来智能可穿戴柔性压力传感器如何实现宽范围压力检测、商业化以及制作流程无毒化与长时期生物相容性实验等方面的研究做出了展望。
壳聚糖水凝胶具有优异的可降解性和生物相容性,已成为构筑柔性应变传感器的重要材料。基于壳聚糖导电水凝胶的柔性应变传感器具有超强的环境适应力,广泛应用于健康监测、植入式设备等生物医学领域中。本文综述了壳聚糖导电水凝胶的制备方法和导电机制,总结了壳聚糖导电水凝胶在耐低温型、自修复型及自黏型的功能性柔性应变传感器中的应用现状,最后指出制备工艺的优化、新材料的应用、人工智能化是壳聚糖导电水凝胶柔性应变传感器未来的重点研究方向,旨在为柔性应变传感器多功能应用的进一步发展提供理论基础和实践指导。
人体皮肤能够感知外界的信息,在与外界交流中起着重要的作用。模仿人体皮肤特性和环境感知能力的电子皮肤在医疗监控、仿生假肢与机器人触觉感知等领域中有着广泛的应用。与传统的可穿戴传感器相比,电子皮肤更轻、更灵活、更具延展性,而且具有无线、透明、与人体皮肤兼容等特性,已成为新兴的研究领域之一。电子皮肤可以连续检测人体的大量物理和生化参数、人体运动、气体等,以实时监测人体健康、体育运动以及各种环境中的气体。本文综述了电子皮肤所使用的最新材料,包括零维(0D)、一维(1D)、二维(2D)和三维(3D)微纳米材料、聚合物材料、水凝胶材料及其复合材料等;详细归纳了基于这些热点核心材料所构建的电子皮肤在健康监测、运动监测以及气体监测等生命健康领域中的应用;指出了电子皮肤在研究过程中依然存在着成本高、工艺复杂等技术难题,但电子皮肤发展趋势朝着多功能化和多种外界刺激同步检测发展,并且在医疗设备、机器技术及未来的制造领域中应用前景广阔。
随着便携式、可穿戴电子器件的迅速发展,柔性储能器件的研究逐渐转向微型化、轻柔化和智能化等方向。同时人们对器件的能量密度、功率密度和力学性能有了更高的要求。电极材料作为柔性储能器件的核心部分,是决定器件性能的关键。柔性储能电子器件的发展,又迫切需要新型电池技术和快速、低成本且可精准控制其微结构的制备方法。因此,柔性锂/钠离子电池、柔性锂硫电池、柔性锌空电池等新型储能器件的研发成为目前学术界研究的热点。本文论述了近年来柔性储能电池电极的研究现状,着重对柔性电极材料的设计(独立柔性电极和柔性基底电极)、不同维度柔性电极材料的制备工艺(一维材料、二维材料和三维材料)和柔性储能电极的应用(柔性锂/钠离子电池、柔性锂硫电池、柔性锌空电池)进行对比分析,并对电极材料的结构特性和电化学性能进行了讨论。最后,指出了柔性储能器件目前所面临的问题,并针对此类问题展望了柔性储能器件未来的重点在于新型固态电解质的研发、器件结构的合理设计及封装技术的不断优化。
汗液中含有人体诸多生理信息, 如电解质、代谢物、激素、温度等。基于汗液的可穿戴式传感器可对多模态生物指标实现分子层面上的实时、连续、非侵入式监测, 在运动感知、疾病预防以及健康管理等领域具有重大发展潜力, 而被广泛研究。本文阐述了可穿戴汗液传感器集成结构中基底、集汗、传感、电源和决策五大模块, 着重强调了纳米结构(如金属基、碳基等材料)在电化学传感敏感材料中表现出的优异性能及应用, 最后讨论了可穿戴汗液传感器在微量汗液收集及多参数传感中物理化学变量的可变性等方面存在的挑战。针对汗液收集和实时校准两个关键问题, 提出可穿戴汗液传感未来发展方向包括仿生微流控技术和多参数反馈调控方法, 实现微量汗液高效收集及精确检测, 将有效推动汗液传感在慢性重大疾病实时预警的应用和发展。
聚合物离子凝胶是一种由离子液体(IL)和聚合物基质构成的新型凝胶体系, 具有优异的可拉伸性、较高的电导率和较好的稳定性, 在柔性电子产品领域具有广阔的应用空间, 备受国内外研究者关注。通过调研整理近年来相关领域的研究进展, 本文综述了聚合物离子凝胶材料的基质分类, 讨论了导电水凝胶的改性方法, 阐述了离子凝胶在相关领域的应用, 并在此基础上总结展望了聚合物离子凝胶面临的挑战与未来的发展方向。指出开发具有优异力学性能、高电导率、可降解的离子凝胶是未来研究的重点。同时, 提高离子凝胶的环境稳定性, 降低离子凝胶的制备成本是实际应用中亟须解决的难题。离子凝胶的制备与应用研究将促进柔性电子材料的飞速发展。
柔性可穿戴压力传感器具有舒适性高、可编织性强以及可模仿人类皮肤对外界刺激做出敏锐的感知和响应等独特性能,可作为人工电子皮肤被广泛应用于医疗检测、疾病诊断、人体运动跟踪以及健康监测等领域。近年来,基于柔性可穿戴压力传感器的设计、构筑、性能探究和开发受到研究者的广泛关注。利用静电纺丝法制得的纳米纤维膜具有孔隙率高、比表面积大、易于功能化改性等优点,使其在柔性传感器构筑领域展现出极大的应用潜力。基于此,本文对静电纺纳米纤维在柔性可穿戴压力传感器方面的研究及进展进行了综述。简要介绍了可穿戴压力传感器的特点,阐述了静电纺丝技术及静电纺纳米纤维在制备柔性可穿戴压力传感器方面的优势,重点讨论了基于静电纺的柔性可穿戴压力传感器在不同领域的研究应用,最后对低成本制造具有高分辨率、高灵敏度、精确的响应性的基于静电纺的柔性可穿戴压力传感器研究做了总结和展望。
摩擦起电(triboelectrification,TE)是几乎所有材料表面都存在的物理现象,而半导体材料的TE不同于起静电的介电材料。在半导体与半导体或金属的动态接触界面上,机械摩擦导致界面原子间化学键合的不断破坏和重建过程,释放能量量子(也称键合子)来激发半导体界面的非平衡电子-空穴对,被激发的电子-空穴对在p-n结(或肖特基结、半导体异质结)的内建电场的作用下分离,从而在外电路产生直流电,该现象被称为摩擦伏特效应。此过程类似于光伏效应,不同之处在于能量的来源。在摩擦伏特效应中,电子-空穴对是由界面处原子瞬时跃迁释放的能量或界面处形成新键时释放的能量来激发,而光伏效应则是由光能激发。本文综述了基于摩擦伏特效应的直流发电机的研究进展,包括机理研究、材料与器件设计、表面改性增强策略等多个方面,并讨论了摩擦伏特器件在可穿戴设备领域作为柔性直流电源的设计开发、性能优化以及未来潜在应用场景。
可穿戴传感器在运动、医学、康复等多个领域的应用极大地方便了对人体运动指标信号的捕捉和监测,有效避免了运动损伤,降低了就医频率甚至挽救了许多生命。随着可穿戴传感器的应用和普及,与之适配的柔性能源供应系统成为其发展的关键。近年来研究者们基于不同的能量释放方式,研究和设计了多种柔性能源供应系统,其中柔性锌离子电池以其高能量密度、高弹性模量、高循环稳定性和高安全性在众多供能体系中脱颖而出,成为可穿戴传感器最具潜力的柔性能源供应系统之一。本文综述了柔性锌离子电池近年来在可穿戴传感器方面的研究进展,主要介绍和总结了电池各组件(集流体、电极(正极、负极)、隔膜、电解质、封装)的材料类型、特点以及与可穿戴传感器集成的应用情况,最后讨论了柔性锌离子电池目前面临的问题和挑战。
柔性压力与应变传感器随着医疗及电子互联领域的发展而受到越来越广泛的关注,其中离子导电凝胶由于具有仿生结构、合适的力学性能和良好的生物相容性等优良的物理化学性能,在柔性电子传感领域显示出了极大潜力。本文综述了离子导电凝胶的分类、制备方法、特点及其在柔性压力与应变传感器中的应用。首先介绍了离子导电凝胶在压力与应变传感器中的传感模式,然后按照导电原理的不同将其分为金属离子凝胶、离子液体凝胶以及聚电解质凝胶三大类,从合成方法、性能特点、改良方法等方面系统介绍了其在压力与应变传感器中的应用及研究进展,分析了其潜在的应用前景和发展趋势。最后,总结了目前存在的挑战并做出了展望,认为离子导电凝胶在智能柔性传感领域仍有着巨大的探索空间和应用潜力。
目前智能可穿戴设备大多为智能手表、手环等,具有刚性大、舒适性差和需要频繁充电的问题,难以满足人体工效学和服装舒适性的要求,无法长久穿戴实现全天候的监测。基于纺织品的摩擦纳米发电机(textile triboelectric nanogenerator, T-TENG)可集成到鞋服中作为柔性电源和自供电传感器使用,是一种理想的人体主动健康监测和执行的可穿戴器件。然而,目前报道的柔性可穿戴织物基器件大多需要经过封装处理后再集成到服装上,造成服装透气性下降。此外,目前的研究大多数处于实验室阶段,没有充分考虑T-TENG在实际使用过程中耐久性、灵敏性和稳定性等性能。本文综述了T-TENG的基本工作模式、材料选择、制造方法、集成鞋服的方式及应用场景,重点讨论了纳米纤维膜和纺织复合材料的T-TENG、纤维/纱线基T-TENG和织物基T-TENG的制备方法,提出了未来舒适型T-TENG的研发与在服饰上的集成新策略,包括T-TENG的规模化制备、T-TENG与传统服饰的一体化集成、T-TENG的监测精度与舒适性的兼容以及T-TENG的耐用性和稳定性。
可承受大而复杂变形的能量存储设备的开发对于新兴可穿戴电子设备至关重要。目前,由导电聚合物制成的水凝胶在加工过程中实现了高电导率和多功能性的融合。利用简单的两步共聚方法成功构建了一种具有丰富微孔结构的水凝胶超级电容器:聚乙烯醇(PVA)和聚丙烯酰胺(PAM)形成双交联网络水凝胶,赋予刚性聚苯胺柔性,此外,聚丙烯酰胺提高了聚苯胺基水凝胶的机械强度,使得聚苯胺基(NPP)水凝胶具有良好的力学和电化学性能,在1 A·g-1其抗拉强度和比电容分别为0.3 MPa与269.12 F·g-1。聚苯胺(PANI)的添加减小了聚乙烯醇和聚丙烯酰胺双交联网络水凝胶(PP)电极的内阻,其修饰后的电阻值为39.184 Ω,这使得NPP水凝胶实现了较高的电子传输能力。这种水凝胶的灵活开发集成为能源系统提供了一种替代策略,适合于超级电容器等多种应用。
电子皮肤作为具有模仿人类皮肤感知功能的新型的柔性可穿戴传感器,具有轻薄、柔软、灵活等特点,可将外界刺激转化为不同的输出信号,近年来在健康监测、人机交互等领域展现出巨大的应用潜力。本文从构建电子皮肤的智能材料角度出发,对电子皮肤常用基体和导电填料及其几何结构构建等方面进行了综述,并基于电子皮肤应用所需面对的复杂环境对其生物相容性、黏附性、自修复性、自供电性等应用性能需求进行讨论,进而指出电子皮肤在研究过程中仍然存在对人体皮肤的综合感知性能差、制备工艺复杂且昂贵、感知刺激信号存在滞后性等问题,通过材料和结构优化提升电子皮肤基础性能,从而构建优异性能、多功能化、多种外界刺激同步检测成为电子皮肤发展趋势,并且在医疗诊断、软体机器人、智能假肢和人机交互等领域表现出极大的潜力。
可穿戴设备具有良好的便携性和隐蔽性,可在人体穿戴后实现预设功能。药物递送指将药物通过合适载体或技术以一定方式和规律运输到患者体内产生治疗作用,可提高药物的稳定性与生物利用度。将可穿戴设备与药物递送相结合,可实现根据患者疾病信号或人为指令的释药,以及对患者体内药物浓度的监控,取代对医生和医院的依赖,获得最佳疾病治疗时机和治疗效果。可穿戴药物递送系统可直接佩戴在体表,具有无创和自行给药的特点。微针皮肤贴片、伤口愈合贴片、智能隐形眼镜等是最常见的可穿戴药物递送系统。本文对近5年可穿戴设备在治疗糖尿病、伤口愈合、眼部疾病和癌症等疾病和药物递送中的最新研究进展进行了综述,对可穿戴药物递送系统发展面临的问题和挑战进行了简单总结,并对其发展方向进行了展望。
近年来,随着汽车、石油、核电和航空航天等高温领域的发展,应用于极端环境中的无损检测、可持续自供电设备用宽温域压电材料成为研究热点。然而,具有优异压电性和高温稳定性的宽温域压电材料,由于质脆、硬度大,致使所制器件无法兼具柔性及高温稳定性而在高温精密化作业、可穿戴健康检测等应用中受到极大限制。因此基于宽温域压电材料的柔性化设计,以实现耐高温柔性压电装置的制备并最终大幅拓宽压电装置的高温工作潜力,成为目前压电器件的重要发展方向。本文首先针对300 ℃以下环境中应用的压电材料(锆钛酸铅、钛酸钡和碱金属铌酸盐)和500~1000 ℃环境中应用的Ⅲ族氮化物的研究进展进行了介绍,然后分析基于这些材料的柔性化设计技术及柔性化设计过程中所用衬底或复合基体的种类对最终器件高温稳定性的影响。
柔性能量存储设备处于下一代电源的最前沿,其中最重要的组件之一就是凝胶电解质。采用自由基聚合法制备PAM/P123锌离子电池用双网络凝胶电解质,结果表明:加入少量三嵌段共聚物P123,宏观上提高凝胶电解质的抗拉强度、韧性和抗压强度,同时微观上使凝胶骨架形成0.6 μm的中孔并提高表面孔分布密度,进而提高了电解液的浸润性。PAM/P123系列电解质不仅具有高平均溶胀率,而且在-30~65℃范围内电导率均高于纯PAM电解质。其中PAM/P123-2性能最佳,具有1920.79%平均溶胀率,且在0℃时的离子电导率为36.2 mS·cm-1。使用该凝胶电解质制备的柔性准固态Zn/MnO2电池在0℃下充放电稳定,1000周次循环后容量保持率达82.39%。
随着可穿戴电子产品的微型化发展,开发轻柔、灵活、体积小、能量密度高的柔性储能器件成为研究的热点。以芳纶纳米纤维(aramid nanofiber,ANF)作为纤维增强柱撑材料,采用真空抽滤的方法制备MXene/ANF柔性自支撑电极,避免引入集流体和黏合剂等“死体积”,并将其组装成全固态对称超级电容器。随着ANF含量增加至15%(质量分数),MXene/ANF自支撑电极的拉伸断裂强度增加至151.5 MPa,而电导率降低至1371.1 S/cm,在1 A/g的电流密度下表现出432.7 F/g的高比电容。组装的柔性对称全固态超级电容器的能量密度为25.7 Wh/kg,对应的功率密度为523.1 W/kg,具有优异的柔韧性和长循环寿命(10000周次循环充放电后,电容保持率为88.9%)。
研究碳纤维编织布用于锂离子电池三维一体化正极的可行性, 对三种经过热处理碳布的石墨化程度进行定性分析和定量计算。以锂金属作为对电极, 石墨化的碳布电极在0.1~0.5 V的电压下首次放电比容量分别为83.6, 94.5 mAh∙g-1和115.2 mAh∙g-1, 经过50周次循环充放电后比容量分别为55.0, 80.0 mAh∙g-1和88.0 mAh∙g-1左右。将石墨化的碳布负载LiFePO4后, 电极的首次放电比容量分别为73.2, 109.5 mAh∙g-1和130.2 mAh∙g-1。对于石墨化程度为76.02%的碳布, 经过50周次循环充放电后比容量稳定在90.0 mAh∙g-1左右, 综合电化学性能较好, 更适合用于锂离子电池的一体化柔性正极。通过建立LiFePO4颗粒与碳纤维之间相互作用的力学模型, 探讨一体化正极的力学性能、电学性能和电化学性能之间的关系。将碳布用于锂离子电池一体化正极, 可以简化锂离子电池的常规生产过程, 革新其生产方式。
随着物联网的发展,微型化自供电电子产品的快速发展和进一步微型模块化大大刺激了对微尺度的电化学储能装置的迫切需求。在各电化学储能装置中,基于平面图案形状的超级电容器在小型化和集成化等功能性特征上与现代电子产品高度兼容。本工作采用半导体制备技术与电流体喷印技术相结合的方法制备柔性3D叉指电极对称微型电容器,并采用富氧活性炭油墨进行3D喷印,通过调控优化电场强度、线宽、喷印层数等参数,制备3D叉指对称电极,采用电子散射能谱(EDS)、扫描电子显微镜(SEM)、流变仪、电化学工作站以及器件测试系统对材料、浆料以及微型电容器器件进行表征,探究材料以及浆料对3D叉指电容器性能的影响,结果表明:利用半导体和电流体喷印相结合工艺制备的3D叉指微型电容器具有优异的性能,其面积电容可以达到22.3 mF·cm-2,此外,通过封装优化,此器件在循环2000周次后可以实现96%的容量保持率。这种简易可控制的3D喷印技术为先进的微型化电化学储能器件提供了一种有效的制备途径。
在氧化石墨烯分散液中加入十二烷基糖苷作为发泡剂形成氧化石墨烯微泡团聚体, 通过浸渍法与聚氨酯海绵骨架复合后经过液氮的极速冷冻以及肼蒸气的还原, 构筑了一种有着特殊三维分级多孔结构兼具超疏水和柔性压阻传感性能的还原氧化石墨烯/聚氨酯复合海绵。结果表明:基于还原氧化石墨烯/聚氨酯复合海绵的柔性应力应变传感器的灵敏度系数(GF)最高可达3.8, 响应时间低至45 ms;另外, 还原氧化石墨烯/聚氨酯复合海绵还具有良好的超疏水性, 水接触角(WCA)达152.5°, 在潮湿及水下等复杂环境中具有潜在的应用价值。
采用氧等离子体活化聚(苯并噁唑-酰亚胺)(PI)薄膜,以此为基底,通过离子注入和化学电镀铜工艺制备高黏结性、耐锡焊性的无胶柔性单面覆铜板(FCCL)。控制气流压强,研究处理功率、处理时间对薄膜表面结构、化学成分及其与Cu层黏结性能的影响。结果表明:氧等离子体改性对改善PI薄膜黏结性能有重要影响,控制压强30 Pa,处理功率100 W,时间10 min,表面引入含氧极性基团,蚀刻明显,使薄膜的浸润性增强;PI薄膜与铜离子形成络合物,进一步赋予FCCL优良的黏结性能,其剥离强度比现有FCCL提高60%以上。
基于天然纤维织物制备的柔性储能器件因其来源丰富、价格低廉和结构设计成熟可靠等优点而备受关注,但是天然纤维本体存在比表面积低、储能密度低等问题。本工作采用高温碳化、N,S-共掺杂、强碱刻蚀造孔调节孔容孔径与比表面积、浸渍负载电化学活性材料MXene等多步处理法对商用棉布进行处理,通过对材料化学组成、微观形貌、微孔结构、储能行为等展开研究,探索多步处理手段对材料的影响。结果表明,经过多步处理后的材料保持了较好的柔性特征,实现了N,S 元素共掺杂,同时改善了碳布材料的微观结构。碳布材料表面的平均孔径从36.44 nm减小至2.03 nm,其比表面积从1.78 m2/g增加到1043.37 m2/g,比表面积的增幅达到了58516%,总孔容也从0.0162 mL/g提高到了0.53 mL/g。经过复杂的处理,碳布材料取得了530.83 F/g的高比电容。但是本材料也存在倍率性能差、储能性能不稳定的问题亟需后续的工作改进。本工作为进一步改善柔性碳基材料的储能性能指明了方向并提供了技术和理论参考。
金属氧化物因其高容量、低成本、适于商业化、环保等特点而常被应用于超级电容器电极材料。以Mn-MOF为前驱体,将其置于乙醇中与Co(NO3)2进行离子交换和刻蚀反应,然后在空气中热处理,最后在碳布(carbon cloth,CC)基体上得到高度结晶的CoMn2O4二维纳米棒结构。对不同Co(NO3)2添加量下制备的CoMn2O4/CC和直接热处理得到的Mn2O3/CC进行SEM和XRD分析,并且通过循环伏安测试、恒电流充放电测试和交流阻抗测试等进行电化学性能测试。结果表明:0.3 g Co(NO3)2刻蚀后CoMn2O4/CC的母体结构相对保留良好,形成中空的纳米空心结构,热处理后在碳布上原位生长的垂直纳米棒结构均一密集地包裹碳纤维,由于无任何黏合剂的添加,确保较高的力学稳定性和导电性。在1.2 mA·cm-2的电流密度下,电极材料具有809.8 mF·cm-2的面积比电容;在5 mA·cm-2的电流密度下循环5000周次后电容保持率为79.1%,是具有潜在应用前景的一种电极材料。
柔性纺织复合材料因具有柔韧性和可折展特性在变构型飞行器的应用中获得越来越多的关注,然而其力学性能仍有很大的不确定性。对石英纤维/硅橡胶柔性纺织复合材料进行5种偏轴角度的单轴拉伸实验,研究其单轴拉伸力学行为。针对石英纤维脆性强和硅橡胶涂层柔韧性强的特点,建立一种石英纤维/硅橡胶柔性复合材料的超弹性本构模型,将应变能密度函数解耦为经向、纬向的拉伸应变能密度函数以及将硅橡胶拉伸与纤维剪切耦合的应变能密度函数,基于单轴拉伸实验数据确定模型参数,与偏轴拉伸实验结果对比表明超弹性本构模型对面内拉伸行为预测误差小于3.88%。针对变构型飞行器中膜材柔性、可大变形的特点采用一种圆形膜材气压加载实验验证方法,可向柔性复合材料的膜面均匀施加载荷,并通过有限元软件Abaqus的用户子程序UANISOHYPER_INV实现所采用的超弹性本构模型,仿真数据与实验数据误差小于2.9%,表明所建立的超弹性本构模型对石英纤维/硅橡胶柔性复合材料的力学表征和数值仿真均具有良好的适用性。
涤纶织物/聚氯乙烯(PET/PVC)柔性复合材料具有质轻、高强及良好的可加工性能, 被广泛应用于体育休闲、广告印刷等户外产品。然而, 在高温、高湿等极端环境中, PET/PVC极易因吸水而造成自身力学性能的下降。采用含氟丙烯酸酯嵌段共聚物对PET织物进行改性, 然后通过涂覆法得到抗芯吸PET织物增强PVC树脂基柔性复合材料(F-PET/PVC), 进而探究其耐湿热老化机理。结果表明:当抗芯吸剂浓度为20 g/L时, PET织物的水接触角从0°增大至114.5°, F-PET/PVC的芯吸高度降低了约94.29%, 且剥离性能降幅较小, 约为15.87%。此外, 湿热老化测试表明F-PET/PVC的耐湿热老化性能优于PET/PVC, 其界面剥离强度和拉伸强度损失率分别由7.41%和3.61%下降为3.08%和0.48%, 有望为环境用织物增强树脂基复合材料的耐久性设计提供参考。
碳纤维三向织物因其具有结构稳定、密度小和准各向同性特点,在空间展开装置具有良好应用前景。为研究碳纤维三向织物/热塑性聚氨酯(thermoplastic polyurethanes,TPU)柔性复合材料变形性能,通过热压法将TPU与碳纤维三向织物复合,结合金相显微镜与扫描电子显微镜进行观测,建立三向织物单胞模型,计算模型截面惯性矩,结果表明:纬向截面惯性矩大于经向的,三向织物纬纱方向更难变形;对碳纤维平纹织物与三向织物进行悬垂实验,结果表明:三向织物变形能力强于平纹织物,并且三向织物在悬垂时经向变形大于纬向,与模型截面惯性矩的计算结果一致;对碳纤维三向织物/TPU柔性复合材料在0°,15°和30°方向进行拉伸实验,分析3种角度不同应变阶段载荷曲线变化和极限载荷。
以木材为原料, 通过脱基质处理获得木材纤维骨架, 在其多孔结构中利用原位聚合法构建以聚乙烯醇(PVA)/聚丙烯酰胺(PAM)为双网络结构填充相的高强度木基复合凝胶。通过调控PVA及PAM在复合凝胶体系中的质量比, 系统研究制备所得木基复合凝胶的宏/微观形貌、力学性能、光学性能及表面化学性能等变化规律。结果表明:在聚丙烯酰胺/木材纤维骨架中引入少量PVA, 通过构建双网络结构, 能够有效提升木基复合凝胶的力学性能, 其最大拉伸强度可达16.47 MPa, 断裂伸长率约为11.61%。将木基复合凝胶作为柔性基材组装构建传感器件, 电导率为1.8 S/m, 发现木基传感器在多种形变下均表现出稳定可重复的相对电流信号变化。
六方氮化硼(h-BN)由于其标准的六方晶体结构和较宽的电子带隙,具有优异的导热性能、电绝缘性能和化学稳定性,在导热绝缘领域具有广泛的应用前景。但纯h-BN具有一定的化学惰性。因此,采用液相超声剥离法,用支化聚乙烯亚胺(PEI)对h-BN进行表面功能化修饰以增加其表面活性。将修饰后氮化硼纳米片(PEI-BNNS)与纳米纤维素(cellulose nanofiber,CNF)共混,以PEI-BNNS为导热填料,CNF为基体,采用真空抽滤法制备了柔性复合导热膜。结果表明,氢键增加了导热填料与基体之间的相互作用力,使PEI-BNNS能够更好地分散在CNF基体中。CNF充当“桥梁”连接PEI-BNNS从而形成较为完备的导热网络,使柔性导热膜的导热性能和机械性能有了明显的提高,其中30%(质量分数)PEI-BNNS/CNF导热膜的热导率达到42.59 W/(m·K),弹性模量达到41.89 MPa。
离子凝胶(ionogel)是一种以离子液体(ionic liquids, ILs)为分散相,通过有机或无机网络固定而成的电解质材料,因其独特的固/液双相特性和优异的化学、电、热稳定性以及宽的电化学窗口,在近几年来引起了广泛的关注,特别是在柔性电子器件构建、化学成分检测、可穿戴传感等领域中有着巨大的应用潜力。本文主要分析了离子凝胶结构特征与组分属性,探讨了多种材料对离子凝胶的修饰及性能影响,并对离子凝胶柔性材料在个性化健康监测、运动质量评估、人机交互和标志物检测领域的应用进行了描述,最后对离子凝胶柔性材料的未来面对的挑战与设计策略进行了展望。
细菌纤维素(BC)基柔性导电膜材料,凭借卓越的力学性能、优异的生物兼容性及其环境友好的加工技术,已成为当前研究的热点。BC基柔性导电膜材料具有三维网孔结构,纤维上含有大量的羟基,该结构特征导致水分子在渗透到导电材料中时易与纤维上羟基形成结合水,从而对电荷传输产生不利影响。为了改善这一问题,本研究采用原位聚合法和真空抽滤技术制备了柔性导电复合膜材料(BC/PPy/PVA-nFG)。其中,聚乙烯醇(PVA)用作机械增强组分,聚吡咯(PPy)用作导电介质,而氟化石墨(FG)作为协同导电机制兼疏水组分。通过减少水分子与BC纤维上羟基之间的氢键作用,有效降低了纤维间结合水的含量,从而提高了材料在湿润状态下的电荷传输稳定性。实验数据显示,柔性导电膜材料在未吸水状态下的初始电阻为32 Ω,吸水后溶胀率达53%,电阻上升至47 Ω。该研究表明,通过引入FG纳米片,可以显著提高BC基柔性导电膜材料的电荷传输稳定性能,为开发新一代绿色环保柔性导电膜材料提供了有价值的研究方向。