基于微碳纤布/碳纳米管/碳气凝胶三维网络结构的柔性导电材料的制备、结构与性能

本项目设计制备了微碳纤布/碳纳米管/碳(MCFC/CNT/C)三维网络结构及柔性导电复合材料。以导电的微碳纤布做基底，在其表面构建碳纳米管/碳气凝胶，微碳纤布和碳碳连接不但能提高网络结构的稳定性，而且能增强碳纳米管之间的连接。研究在MCF/CNT骨架上冷冻干燥制备气凝胶过程中的化学反应特征，揭示有机前驱体的交联程度、活化和碳化等对MCFC/CNT/C结构的影响，明确碳纳米管、微碳纤布间的相互作用机制；以此作为柔性导电材料的骨架，提供材料的模量，保证外力释放后材料能回复到原来的形状，利用交联点保证电荷传输通道，研究MCFC/CNT/C微观结构与导电、弹性和拉伸性能之间的关系，建立相应的导电增强机制，为MCFC/CNT/C三维气凝胶的结构调控和高导电柔性材料的性能优化提供依据。

可拉伸导电材料（SCMs）是下一代柔性电子设备中不可缺少的组成部分，高性能SCMs的研究和开发对于柔性电子设备的发展具有重要意义。如何获得高的导电率和高的柔韧性是SCMs材料面临的巨大挑战。本课题首先针对碳纳米材料易于团聚的问题，通过化学气相沉积和有机溶胶-凝胶法制备了碳纤/纤维布-碳纳米管、碳纳米管-石墨烯-碳气凝胶等结构新颖的三维骨架，实现了多种三维结构材料的合成和结构控制。借助于高温气相过程中温度、碳源浓度和停留时间等的控制，制备了具有定向结构的石英纤维布（QFC）/CNTs三维结构材料。提出了均匀分散碳纳米管/石墨烯三维导电骨架制备的新方法，从缩聚反应控制出发，获得了孔隙率高、结构稳定的碳纳米管/石墨烯三维多孔碳气凝胶结构，将其浸渍聚合物后得到一种具有三维导电网络及优异弯曲拉伸性能的导电材料，在碳纳米管/石墨烯含量仅1.3 wt%时，材料的导电率达到了2.8 S cm-1，少量碳纳米材料含量下即达到了非常高的导电率，并且在20%应变下反复拉伸100次和弯曲5000次后材料的导电率还能基本保持不变，兼有优良的导电性和柔韧性。将商用石英纤维布引入碳纳米管碳气凝胶结构中，纤维与碳纳米管形成互相贯穿、连续的高强度导电骨架，导电网络的结构稳定性得到进一步增强，复合材料的拉伸强度和拉伸模量分别达到129.6 MPa和3.41 GPa。碳纳米材料形成的导电网络在较大应变下会出现结构破坏，为了减缓这种破坏对复合材料导电性的影响，提出了模板法制备三维多孔柔性聚合物基板的新思路，并将其与碳纳米材料的导电网络紧密结合，通过建立相应的模型分析其形变机理，材料可以通过自身的骨架弯曲和旋转等较小的形变抵消外部较大的应变，材料的电导率在20% - 50%应变范围内具有较大的保留率，指导制备了在较大形变下仍然具有优异电学性能的新型SCMs。将导电聚合物PEDOT:PSS引入在泡沫镍骨架上CVD生长的三维石墨烯网络中，PEDOT:PSS能通过吸引和转移电子使得电子在CVD石墨烯片层之间的传输阻碍显著降低，进一步提升石墨烯的电导率，当PEDOT:PSS与石墨烯的质量分数分别为1.5 wt%时，复合材料电导率达到24 S cm-1，是CVD石墨烯/多孔PDMS复合材料的1.6倍。本课题制备了多种可拉伸高导电的柔性复合材料，为这类材料的设计与制备提供了重要的数据参考和理论指导。