浙江大學(xué)工程力學(xué)系曲紹興教授與賈錚教授課題組研發(fā)了一種具有優(yōu)異力學(xué)性能的全固態(tài)離子導(dǎo)電彈性體，成果以《A Mechanically Robust and Versatile Liquid-Free Ionic Conductive Elastomer》為題發(fā)表在材料領(lǐng)域知名期刊Advanced Materials上。他們將酯類單體乙二醇甲醚丙烯酸酯(MEA)、丙烯酸異冰片酯(IBA)和雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰(LiTFSI)按一定比例混合，通過自由基聚合的方法，制備了一種新型的全固態(tài)離子導(dǎo)電彈性體。該材料中高分子網(wǎng)絡(luò)與離子間存在大量氫鍵與鋰鍵(如圖1a所示),這些氫鍵與鋰鍵起到物理交聯(lián)點(diǎn)的作用并且在材料受拉伸時(shí)可發(fā)生斷裂、耗散大量能量，使得該離子導(dǎo)電彈性體擁有極好的力學(xué)性能。此外，該離子導(dǎo)電彈性體具有非晶結(jié)構(gòu)(圖1b)和良好的透明度。含鹽量為0.5 M的離子導(dǎo)電彈性體的可拉伸性超過1600%(圖1c)，其工作溫度窗口在-14.4゜(相轉(zhuǎn)變溫度，圖1d)到200゜(熱分解溫度，圖1e)之間，相比水凝膠而言具有極高的溫度穩(wěn)定性。

圖1.全固態(tài)離子導(dǎo)電彈性體的微觀結(jié)構(gòu)示意圖及物理性質(zhì)。

該離子導(dǎo)電彈性體具有優(yōu)異的力學(xué)性能，無論鋰鹽濃度如何變化，其可拉伸性保持在1500%以上(圖2a)。眾所周知，材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域存在著兩對矛盾：(1)大部分材料的強(qiáng)度和斷裂韌性難以同時(shí)提升;(2)離子液體凝膠的導(dǎo)電性與機(jī)械性能(強(qiáng)度、模量)難以兼得。有趣的是，隨著鋰鹽含量由0.0 M提高到2.0 M，該離子導(dǎo)電彈性體的斷裂韌性、強(qiáng)度、模量均提高數(shù)倍(圖2b-d)，同時(shí)克服了上述兩對矛盾。此外，該離子導(dǎo)電彈性體還具有力學(xué)自修復(fù)性(圖2e)和良好的回彈性能(圖2f-h)。

圖2.全固態(tài)離子導(dǎo)電彈性體的力學(xué)性能。

該全固態(tài)離子導(dǎo)電彈性體還具有良好的導(dǎo)電性。圖3a-b展示了全固態(tài)離子導(dǎo)電彈性體中鹽濃度/溫度和導(dǎo)電性之間的關(guān)系。此外，7天的測試結(jié)果表明材料在室溫空氣環(huán)境中也具有穩(wěn)定的電導(dǎo)率(圖3c)。該材料還具有電學(xué)自修復(fù)的特性，經(jīng)過10小時(shí)的自修復(fù)過程，其電學(xué)自修復(fù)效率可達(dá)97%(圖3d)。綜上所述，全固態(tài)離子導(dǎo)電彈性體具有良好的力學(xué)性能與導(dǎo)電性，可以被用作電阻式應(yīng)變傳感器，圖3e-h展示了全固態(tài)離子導(dǎo)電彈性體作為電阻式應(yīng)變傳感器的原理與應(yīng)用。

圖3.全固態(tài)離子導(dǎo)電彈性體的電學(xué)性能。

通過將全固態(tài)離子導(dǎo)電彈性體與介電彈性體材料結(jié)合，可開發(fā)多種離子器件，包括離子皮膚、納米摩擦發(fā)電機(jī)等。圖4a展示了基于全固態(tài)離子導(dǎo)電彈性體的離子皮膚的結(jié)構(gòu)示意圖。與水凝膠和介電彈性體的天然弱界面粘接不同，全固態(tài)離子導(dǎo)電彈性體與大部分介電彈性體(如VHB等)有較強(qiáng)的粘接(圖4b)，利于保證離子器件的結(jié)構(gòu)完整性。該離子皮膚能將多種外部載荷(比如拉伸、壓縮及溫度變化等)轉(zhuǎn)換為電容信號(hào)的變化(圖4c-g)，且具有較高的響應(yīng)速率。

圖4. 基于全固態(tài)離子導(dǎo)電彈性體的離子皮膚。

3D打印技術(shù)可將材料打印成復(fù)雜結(jié)構(gòu)，有助于拓展材料的應(yīng)用范圍。該全固態(tài)離子導(dǎo)電彈性體也具有可打印性。圖5中展示了基于數(shù)字光處理技術(shù)(DLP)的離子導(dǎo)電彈性體打印平臺(tái)(圖5a)和打印得到的結(jié)構(gòu)(圖5b-f)。

圖5. 全固態(tài)離子導(dǎo)電彈性體的可加工性。