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柔性导电材料(FCMs)是下一代柔性电子设备的重要组成部分,高性能FCMs的开发是柔性电子设备发展的基础。FCMs的制备通常是在绝缘的聚合物基体中引入导电网络。碳纳米材料、金属纳米材料以及导电高分子由于其良好的电学和力学性能,常被用作FCMs的导电组分。聚合物基体结构及导电网络的设计会对FCMs的性能产生重要影响。本文从这两方面入手,首先针对拉伸导电材料在大形变下电导率下降明显的问题,分别借助3D打印技术和静电纺丝技术制备三维多孔结构的弹性聚合物骨架载体,利用形变时骨架结构单元的变化来提升导电材料在拉伸过程中电性能的稳定性,获得大应变下仍有较好的电导率保留的可拉伸导电材料。其次,针对银纳米线(AgNW)网络接触电阻高及低应变下容易断裂的问题,在AgNW网络中引入导电高分子以改善AgNW网络的光电性能与粘附性,并将其与金纳米线(AuNW)网络结合构筑金属纳米线双网络结构,获得在大应变范围内具有高灵敏度的透明拉伸敏感电极。主要研究工作如下: 1.以3D打印的三维多孔聚乳酸为模板,制备了具有规整结构的三维多孔聚-二甲基硅氧烷(O-PDMS),解决了传统方法得到的O-PDMS厚度受限以及结构缺陷的问题,并将其与碳纳米管/石墨烯导电网络结合获得了高可拉伸的导电材料。设计了对齐和错层结构的O-PDMS,研究O-PDMS的排列方式对可拉伸导电材料电学性能的影响。错层结构有助于得到均匀且致密的导电层,因此导电组分含量相同时,错层结构的O-PDMS/CNTs/石墨烯(S-OPCG)的电导率是对齐结构的O-PDMS/CNTs/石墨烯(A-OPCG)的15倍。错层结构的导电材料在拉伸过程中也展现出更好的电性能的稳定性。通过有限元模拟对两种单元结构进行分析,发现施加相同应变时,错层结构承受的实际应变低于对齐结构。S-OPCG在拉伸100％时,电导率仍可保留40％,在弯曲5000次和拉伸50％循环100次的过程中,电导率保持不变或仅有轻微下降。 2.针对商用聚氨酯(PU)海绵缺陷多、可拉伸性受限的问题,本文利用静电纺丝技术制备了高可拉伸的PU纤维垫(PUF),原位聚合导电高分子PEDOT,构筑PUF/PEDOT的柔性三维导电网络。由此得到的PUF的力学性能远优于商用PU海绵,最大可拉伸434％,即使包覆了PEDOT,得到的PUF/PEDOT仍可拉伸＞300％,且电导率高达4.7S/cm。由于PUF/PEDOT纤维垫导电网络的特殊结构,导电网络展现出非常好的稳定性。在拉伸过程中,纤维网络依次通过重排和取向适应外界应变,保护导电网络不受破坏,在100％的应变下,PUF/PEDOT/PDMS的电阻仅增加20％。在经过100次50％的拉伸循环后,PUF/PEDOT/PDMS的电性能仅轻微下降,在2000次的弯曲循环过程中保持不变。将PUF/PEDOT的导电纤维垫作为电极材料并成功制备可拉伸LED阵列,即使在弯曲状态或拉伸30％的状态下,LED灯仍然保持发亮。 3.论文通过在AgNW网络中引入导电高分子PEDOT:PSS和硫酸(H2SO4)的后处理过程,解决了AgNW网络接触电阻大、表面粗糙度高、与聚合物基体的粘附性差等问题,获得了高透光、低电阻、高粘附性的柔性透明导电膜。当含表面活性剂的PEDOT:PSS与AgNW复合涂膜时,AgNW被包埋在PEDOT:PSS中,大大降低了AgNW网络的表面粗糙度与接触电阻,也在一定程度上改善了AgNW膜的粘附性。PEDOT:PSS的引入使AgNW网络的电阻减小10倍,且不影响透光度。H2SO4后处理通过除去部分PSS,增强了PEDOT与有机聚合物基体之间的作用力,从而进一步改善了复合导电膜与基体之间的粘附性。最终获得的AgNW/PEDOT:PSS复合膜在透光率为90.4％时,薄层电阻仅为16Ω/sq,在经历2000次弯曲循环和8h的溶剂环境后,电阻只轻微增加。 4.将小尺寸的银纳米线(AgNWs)与大尺寸的金纳米线(AuNWs)复合,获得了一种基于金属纳米线双网络结构的高可拉伸、高灵敏、高透光的拉伸敏感电极。两种网络的协同作用不仅赋予材料优异的光电性能(86％T,25Ω/sq),而且实现了大应变范围内的高灵敏度。纯AgNW网络拉伸至35％时彻底失去导电性。AuNW的引入,一方面作为大应变下断裂的AgNW网络之间的连接,赋予电极在大应变下的导电性,另一方面沿拉伸方向AuNW上Au层的断裂为大应变范围提供了灵敏度。因此,两个导电网络的结合可以同时实现大的应变范围与高的灵敏度。AuNW-AgNW双网络敏感电极最大可拉伸90％,灵敏度系数为875。通过调节AuNW的含量,在70％应变下可以获得超高的灵敏度系数2370。除此以外,该传感器在1000次40％的拉伸-释放循环过程中展现出优异的电信号稳定性,将该传感器贴合在人体不同部位时,可以用于检测各种人体活动。