可自发纠缠的形状记忆微纳米螺旋及其可拉伸透明导体的自修复研究

Self-healing of stretchable transparent conductors (STCs) are vital important due to their capability to replace the brittle and expensive Indium Tin oxides, overcome the fatigue failure, extend the lifetime, and increase the reliability of stretchable electronics. However, existing self-healing methods are not able to simultaneously recover the conductivity and stretchability of STCs. To address this problem, a novel self-healing strategy is proposed in this project by employing micro-/nanosprings of TiNiCu alloy with two-way shape memory effect (TWSME) to construct and recover the conductivity and stretchability of STCs. To achieve the above goal, Ti-Ni-Cu micro-/nanosprings with controllable dimensions will be prepared by using electrospun polymeric 3-D helices as soft templates via magnetron sputtering. The distribution of alloy compositions and microstructure in the helices network will be tuned to obtain uniform and compact Ti-Ni-Cu shell on polymeric fibers. The effect of nano-size effect on the shape memory properties of TiNiCu will be investigated. Special focus will be placed on the shape evolution, extension and entanglement of Ti-Ni-Cu micro-/nanosprings under the mechanical constrain of the substrate. The mechanism of restoring the conductivity and stretchability of STCs by shape memory effect of Ti-Ni-Cu micro-/nanosprings will be studied and discussed. The construction of this new self-healing mechanism based on the autonomous entanglement of shape memory micro-/nanosprings could be a promising way to repair fracture electronics, extend their lifetime and enhance their working reliability.

可拉伸透明导体是柔性电子器件的重要基础材料，它的自修复能力对于解决柔性电子器件因疲劳断裂或机械破坏导致的功能失效、寿命缩短、可靠性降低等问题至关重要。针对目前可拉伸透明导体的自修复方法不能同时修复其导电性和拉伸性的问题, 考虑到TiNiCu合金电阻率低、双程形状记忆显著，且相变温度与聚合物基体软化和工作温度相当，本项目拟研制其微纳米螺旋网络，利用其形状记忆驱动螺旋纤维自发纠缠，构建一种可同时修复导电性和拉伸性的机制。研究TiNiCu形状记忆合金微纳米螺旋网络的制备方法以及螺旋形貌、成分和微观组织调控原理，探究纳米尺寸效应对导电网络晶化、相变、表观弹性模量及形状记忆行为的影响规律。重点研究可拉伸透明导体中受损的导电网络在温度诱导下的自发伸缩和纠缠行为，以及该行为与导电性和拉伸性修复效率的作用机制，阐明自修复原理。预期成果能为柔性电子器件的损伤修复、提高其使用寿命和可靠性提供理论基础和新方法。

可拉伸透明导体是一类由可拉伸导电网络和柔性透明基体复合而成的导电薄膜材料，它是可拉伸光电器件、可穿戴式电子器件及电子皮肤中的关键基础材料。可拉伸透明导体在受到破坏后，会导致器件的可靠性、容错性和使用寿命的降低，亟待发展高效的自修复方法。但是，当前的自修复方法不能同时实现导电性和拉伸性的修复。本项目针对上述问题, 考虑到TiNi基形状记忆合金电阻率低、双程形状记忆显著，且相变温度与聚合物基体软化和工作温度相当的特点，拟通过构建TiNi基微纳米螺旋结构，利用其形状记忆驱动螺旋纤维自发纠缠，发展一种可同时修复导电性和拉伸性的新策略。.通过项目的实施，系统的发展了一维至三维透明可拉伸结构的设计和制备方法，制备了一维的单级波浪可拉伸结构、二维双级波浪可拉伸结构和三维微纳米螺旋可拉伸结构，为TiNi基形状记忆合计微纳螺旋的制备打下结构设计和制备基础。同时，揭示了上述单级波浪、二维双级波浪和三维螺旋可拉伸结构对其透明柔性器件的透光性、拉伸性能和电学性能影响规律，阐明了结构与性能之间的关系。此外，发展了具有双程形状记忆效应的TiNi基微螺旋纤维，其马氏体和奥氏体相变结束温度分别为20摄氏度和90摄氏度，实现了在室温和90摄氏度以上的温度之间的快速形状切换，最终利用该TiNi基微螺旋纤维的双程形状记忆效应实现了升温伸长（高温态）和纠缠互锁（低温态）效应，同时达到了力学性能和导电性能的自修复。项目的实施为解决目前可拉伸透明导体的自修复方法不能同时修复其导电性和拉伸性的问题提供了一种新的策略，有望提升电子器件可靠性、容错性和使用寿命。.在项目的支持下，相关研究成果已在Advanced Materials、Advanced Optical Materials、Composites Science and Technology和Journal of Alloys and Compounds等期刊上发表SCI论文8篇，包括中科院一区论文6篇和中科院二区论文2篇；同时申请4项国家发明专利，其中已授权1项。