银纳米线多维杂化导电网络的构筑及其对柔性力敏传感材料的影响机制

Flexible force sensitive sensing materials (FSMs) are one of the most interesting and research areas in flexible electrical materials because FSMs are bendable and stretchable, light weight and can be attached on various irregular surfaces. Previous study reveals that homogeneous dispersed and junction reinforced conductive network is the key to fabricate sensing materials with good flexibility, sensitivity, stability and responsiveness. Herein, the one dimensional silver nanowires were hybridized with zero dimensional nanoparticle(silver nanoparticle, silica nanoparticles, et al.) or two dimensional nanosheets (graphene, layered double hydroxide nanosheets) to construct multidimensional hybrid conductive network in which silver nanowires act as skeleton and the nanoparticles or nanoshseets serve as junction; the high performance FSMs can be obtained during mixing the hybrid materials with flexible polymer matrix (polyurethane, polydimethylsiloxane et al.).The nanoparticles or two dimensional nanosheets are conducive to promote the dispersion of silver nanowires and decrease the percolation threshold. In addition, the formed junction makes the conductive networks can be rapidly reconstructed under forces and recover to original state after the forces removed, making FSMs may be mounted onto human bodies to monitor the motions or movement. Some useful and valuable information will be found during study the structure of conductive network and the reconstruction mechanism and the effect on the performance of FSMs.This will be conducive to solve the key scientific issues of the current flexible electrical materials and promote the development of the electronic industry.

柔性力敏传感材料由于能贴附于各种不规则表面，可弯曲伸缩，轻薄便携，是当前柔性电子材料的重要研究方向。前期研究工作发现，构建均匀有效分散、节点增强的导电网络是制备高柔韧性、高灵敏性、快速响应和高稳定性传感材料的关键。本项目创新性地将银纳米线分别与零维纳米粒子（纳米银、纳米二氧化硅等）或二维纳米片层（石墨烯、水滑石片层等）自组装制得多维杂化物；利用杂化物间的相互作用促进银纳米线在柔性高分子基体（聚氨酯、硅橡胶）中均匀有效分散，形成以银纳米线为支撑、纳米粒子或纳米片层为网络节点的导电网络；该导电网络结构有利于降低渗流阈值和增强节点处的相互作用，外力作用下形变时也可快速重构和有效回复，有望制备出能用于监控人类关节运动的柔性力敏传感材料。深入研究杂化导电网络结构、分散状态等对复合材料力敏传感性能的影响，探讨网络重构和回复机制，将有利于解决当前柔性电子传感材料中的关键科学问题，促进电子产业的发展。

柔性力敏传感材料由于能贴附于各种不规则表面，可弯曲伸缩，轻薄便携，是当前柔性电子材料的重要研究方向。本研究通过将银纳米线分别与零维纳米粒子（纳米银、纳米白炭黑）或二维纳米片层（石墨烯、水滑石纳米片）等自组装制得多维杂化物。利用杂化物间的相互作用促进银纳米线在柔性高分子基体（聚氨酯、硅橡胶）中均匀有效分散；形成以银纳米线为支撑、纳米粒子或纳米片层为网络节点的导电网络；这样不仅有利于降低渗流阈值，同时还能在外部响应发生时更容易重新构筑，在电性能上表现出更快速的响应；而网络节点的存在又能进一步降低导电填料间的接触电阻，并有利于回复，即有利于稳定性的提高。基于此原理制备出能用于监控人类关节运动的高性能柔性力敏传感材料。其中，在银纳米线与石墨烯（AgNWs@rGO）杂化体系中，制备了小形变下具有超高灵敏度的柔性力敏传感器。制备的柔性TPU复合材料经10%预拉伸，在1%的形变范围内灵敏度GF高达20（Δε <0.3%），1000（0.3%< Δε <0.5%），4000（0.8%< Δε <1%）；弯曲时灵敏度最高可达4.38 rad-1。在银纳米线与纳米水滑石杂化体系中，杂化明显的降低了导电复合材料的渗流阈值(低至3.1 vol%)，在保证高导电(体积电阻率为(2.4±0.3)×10–4 Ω·cm)的同时，导电复合材料表现出优异的弯曲稳定性(>3000 次)；此外，在rGO与AgNWs导电棉纤维薄膜杂化体系中，提出了AgNWs对rGO的“动态桥接效应”，构建的AgNWs-rGO压敏传感器的灵敏度最大可以达到5.8 kPa-1，平均响应时间与松弛时间分别为29.5 ms与15.6 ms，检测极限可以达到0.125 Pa，使用稳定性超过10000次；使其在脉搏波检测、气流检测以及智能可穿戴电子方面表现出良好的应用前景。.通过对杂化导电网络进行了深入的研究，总结了结构、分散状态等对传感材料性能的影响，探讨了杂化网络重构机制。利用杂化物间的相互作用促进了银纳米线在聚合物基体中均匀分散，降低渗流阈值，提出了多维杂化的导电网络可实在网络的疏化提高力敏传感的灵敏度的新方法和新概念；同时，利用节点处相互作用的增强，实现导电网络的快速重构和有效回复，极大程度地改善了传感材料的灵敏性、快速响应性及稳定性。以上研究将有利于解决当前柔性力敏传感材料中的关键科学问题，促进柔性电子产业的发展。