近日，材料学院于中振教授和张好斌教授团队在《ACS Nano》期刊上发表题为“Kirigami-Inspired Highly Stretchable, Conductive, and Hierarchical Ti3C2Tx MXene Films for Efficient Electromagnetic Interference Shielding and Pressure Sensing”的学术论文。报道了可拉伸导电材料的新进展。
MXene材料因具有高导电性、亲水性和易于加工等优点使其具有很好的商业应用前景。通过喷墨打印、丝网印刷等方法， MXene可以被加工成各种结构的柔性导电涂层。虽然基于MXene的导电材料具有很好的导电性和柔性，但是其在少量的应变下就会失效，这制约了其作为柔性电极材料的进一步应用。目前构筑MXene基可拉伸导电材料的方法包括复合法和褶皱法。其中复合法是将MXene与弹性体复合，这类材料导电性较差且在应变下材料电阻变化大。褶皱法是通过在预拉伸基底上沉积MXene薄膜，通过基底收缩形成褶皱，这类材料虽然保留了MXene的高导电性且在应变下电阻变化小，然而由于对基底的预拉伸导致存在内应力，因此该材料表面具有明显的起伏，这限制了该材料的应用。
近日，于中振教授、张好斌教授团队受到剪纸艺术的启发，首先将MXene薄膜沉积在双向预拉伸的聚苯乙烯基底表面，利用基底的收缩且通过控制MXene层厚度和收缩率构建了结构可控的多级MXene褶皱膜，将该薄膜嵌入到聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面制得了可拉伸，且拉伸过程中电阻不变的导电复合薄膜。（图1）
图1 (a)多级结构PDMS/MXene薄膜的构建, (b)薄膜的照片,(c-d)薄膜表面结构,(e)薄膜截面表征,(f-g)薄膜表面结构的波长与振幅。
与直接通过在预拉伸弹性基底表面沉积MXene获得的褶皱导电膜不同的是，通过嵌入法获得的多级结构PDMS/MXene薄膜具有自适应的应变不变的导电性能。只需要在相应应变下进行数次的拉伸-释放循环，多级结构PDMS/MXene薄膜就可以在该应变下的大部分范围的拉伸过程中具有不变的电阻。（图2）
图2 (a)薄膜在数次拉伸过程中的电阻变化，(b)薄膜在不同拉伸应变处理后的所表现的自适应性能，(c)循环性能，(d)动态拉伸性能，(e)预拉伸处理后的动态拉伸性能，(f)表面结构演化与应变的关系。
对此，作者提出了一种构建可拉伸导电材料的新方法。该方法利用多级的脊状结构在拉伸应变下使材料表面产生非均匀的局部应变，材料表面的导电层在非均匀的局部应变诱导下形成微裂纹，微裂纹的形成使得导电层的延展性得到极大的提升。微裂纹在形成后受到表面脊状结构的偏转作用和钝化作用而停止增长，其密度和长度受到薄膜表面结构和拉伸应变的最大值影响。为了进一步验证这种方法，作者研究了不同表面结构复合薄膜的性能，并结合有限元仿真模拟的结构，证实了上述的结论。（图3）
图3 (a-d)不同表面结构复合薄膜在拉伸过程中的结构和电阻变化，(e-f) 不同表面结构复合薄膜拉伸下的表面应变分布。
作者以多级结构PDMS/MXene薄膜作为可拉伸电极，以含有离子液体的静电纺丝聚氨酯纤维膜作为可拉伸电解质组装了离子型压力传感器阵列，该传感器可以在拉伸过程中监测压力的变化。
图4 (a-b)基于多级结构PDMS/MXene薄膜构建的可拉伸压力传感器阵列示意图,(c) 传感器阵列用于运动监测。
本文第一作者为北京化工大学在读博士生陈伟，通讯作者为北京化工大学于中振教授和张好斌教授。本研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和中央高校基本科研业务费等项目的资助。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c01277
