可拉伸的高介電常數(shù)材料對(duì)于可穿戴計(jì)算和軟機(jī)器人等新興領(lǐng)域的電子應(yīng)用至關(guān)重要。開發(fā)這些軟材料體系的常用策略是將無機(jī)填料混合成軟有機(jī)聚合物,得到的復(fù)合材料將聚合物基質(zhì)的機(jī)械性能與無機(jī)分散相的電學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)相結(jié)合。然而,這種方法的一個(gè)限制是,以提高的電或熱性能所需的高濃度的填料往往會(huì)導(dǎo)致在聚合物的機(jī)械性能的劣化,并導(dǎo)致所述復(fù)合變得更僵硬和較小的彈性。目前,已經(jīng)用共晶鎵(EGaIn)微粒化液滴(直徑≈2-50μm)的多分散懸浮液合成了液態(tài)金屬嵌入彈性體(LMEE)。在對(duì)比剛性無機(jī)粒子-例如,銀粉末,碳納米管,鈦酸鋇和其它金屬,碳或陶瓷顆粒-這些EGaIn液滴隨周圍的聚合物自由變形,對(duì)彈性順應(yīng)性和應(yīng)變極限的影響有限。
美國Carnegie Mellon University的Carmel Majidi課題組報(bào)告了一類可拉伸的LM-彈性體納米復(fù)合材料,并研究了LM夾雜物對(duì)這些復(fù)合材料的介電和機(jī)械性能的尺寸效應(yīng)。通過增強(qiáng)介電彈性體致動(dòng)器和能量采集傳感器的性能,證明了LM-彈性體納米復(fù)合材料在軟機(jī)和電子設(shè)備中的獨(dú)特使能特性和實(shí)用性。

▲圖1.LM彈性體復(fù)合材料以及包含不同直徑填料下的復(fù)合材料的介電擊穿強(qiáng)度和機(jī)械應(yīng)變

▲圖2.LM-彈性體復(fù)合材料的介電性能。

▲圖3.LM-彈性體復(fù)合材料的力學(xué)性能。

▲圖4.LM-彈性體納米復(fù)合材料的演示。
在本工作中,作者報(bào)道了一類具有獨(dú)特的力學(xué)和介電性能與軟性多功能材料結(jié)合的LM-彈性體納米復(fù)合材料。將這些粒徑為100nm的納米復(fù)合材料與含有0(1μm)和O(10μm)直徑填料的復(fù)合材料進(jìn)行了性能比較,研究了LM填料尺寸對(duì)復(fù)合材料性能的影響。具有較大LM包裹體的LM-彈性體復(fù)合材料,即O(10μm)的直徑,隨著LM體積分?jǐn)?shù)φ的增加,其介電擊穿強(qiáng)度明顯降低。相比之下,含有O(1μm)-和O(100 Nm)尺寸包裹體的LM-彈性體復(fù)合材料在電子束中表現(xiàn)出更穩(wěn)定的線性下降。還觀察到LM夾雜以保持聚合物基體的應(yīng)變極限(即延展性),這與線彈性斷裂力學(xué)的原理是一致的。雖然在初試件的初始載荷中觀察到了Mullin效應(yīng),但LM-彈性體復(fù)合材料一般表現(xiàn)出較高的彈性行為,其機(jī)械滯回率可以忽略不計(jì)。這種增強(qiáng)的介電常數(shù)、可控的介電擊穿強(qiáng)度和類似橡膠的力學(xué)性能的獨(dú)特組合使LM-彈性體納米復(fù)合材料在軟材料驅(qū)動(dòng)、儲(chǔ)能和能量收集方面具有變革性的影響。
研究成果“A Liquid-Metal–Elastomer Nanocomposite for Stretchable Dielectric Materials”發(fā)表在Adv. Mater.上。
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標(biāo)簽: 美國, LM-彈性體納米復(fù)合材料, 軟機(jī), 電子設(shè)備
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