自供能PVDF-co-HFP/离子液体/PEDOT可拉伸自愈合导体的制备、结构与性能

Recently, flexible electronic materials have become the most attractive subject in materials science and engineering. However, there are many unsolved problems in the research and development process, such as breakage due to deformation and failure to provide flexible, portable, sustainable power source. Herein, a new type of stretchable self-healing conductive material is prepared to achieve self-healing of the conductive network and the substrate simultaneously with the help of ionic liquids which has ion-dipole interactions with poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (PVDF-co-HFP) and electrostatic interactions with poly(3,4-ethylenedioxythiophene): polystyrenesulfonate (PEDOT:PSS). The mechanism of interaction between ionic liquids and PVDF-co-HFP and PEDOT:PSS is clarified, and the relationship between electrical properties and self-healing efficiency at repeated strains and the structure including material interactions and crystal morphology is established; TENG, and a self-powered self-healing conductive prototype device are constructed based on the same material, revealing the results of charging and output characteristics, electrical properties, and self-healing efficiency under repeated strains. It lays the foundation for the application of a new generation of skin self-powered wearable devices.

近几年柔性电子材料已经得到了广泛的关注和应用，但其在研究和开发过程中依然存在因变形而发生破损和无法提供柔性便携的可移动电源等难题。本项目拟利用离子液体与聚偏氟乙烯六氟丙烯共聚物（PVDF-co-HFP）和导电高分子聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）间的相互作用，制备一种基体与导电网络同时实现自愈合与高度可拉伸的新型柔性导电材料。明确离子液体与PVDF-co-HFP和PEDOT:PSS作用机理，建立材料相互作用、结晶形态等结构与反复应变下电性能及自愈合效率间的关系；基于此材料组装自愈合可拉伸的TENG，并构建一种基于同一种材料的自供能可拉伸自愈合导电原型装置，揭示在反复应变作用下的充电及输出特性、电性能及自愈合效率的变化规律，为其在新一代类皮肤自供能可穿戴设备中的应用奠定基础。

柔性导电材料作为柔性电子器件中主要的组成部分，直接决定了柔性电子器件的性能和应用领域，其在研究和开发过程中依然存在因变形而发生破损和无法提供柔性便携的可移动电源等难题。本项目通过对柔性导电材料进行结构设计和性能调控，制备得到了一系列透明、可拉伸、自愈合的多功能柔性导电材料，并将其应用于各种柔性电子器件中，为实现集成化自供能可穿戴电子系统奠定基础。采用绿色环保增塑剂乙酰柠檬酸三丁酯（ATBC）提升PVDF-co-HFP的分子链运动能力，制备了一种可在水中自主自愈合的复合材料，基于PVDF-HFP-ATBC自愈合薄膜层层组装了一种具有双电极结构的可整体水下自愈合的摩擦纳米发电机，双电极结构显著改善了器件的输出性能。器件受损并在水中愈合12 h后，可以恢复85 %以上的输出性能。利用PU纳米纤维增强AgNWs-MXene复合导电网络，赋予了透明电极高可拉伸性和循环稳定性，在180%的大应变下，电极电阻只增加了2倍。在 65%应变下经历 1000次拉伸-释放循环测试后，电性能也并没有发生明显衰减。基于该可拉伸透明电极制备的TENG既可以作为能量收集器，收集人类活动时产生的能量，又可以被应用于摩擦电传感阵列和运动传感器中，实现了压力分布的跟踪和人体运动的实时监测。利用PVDF纳米纤维增强PVDF-co-HFP自愈合基体，得到了一种坚韧、透明和自愈合的电子皮肤基板，解决了自愈合聚合物愈合效率和拉伸强度难以平衡的难题。只加入1.2 wt%的纳米纤维，复合薄膜的拉伸强度就可以变为原来的8.4倍，断裂韧性提升了886%。纳米纤维的引入并没有显著影响复合薄膜的自愈合能力，在室温下愈合24小时，自愈合效率可达78%。基于该自愈合薄膜制备的电子皮肤实现了自动化的损伤检测和加速愈合。采用MXene纳米片增强的PVDF纳米纤维来提升自愈合基体的力学性能，获得了一种具有高介电性能的超强自愈合透明薄膜，基于该自愈合薄膜组装的TENG展现出了高输出性能和优异的自愈合特性。本项目的研究工作为新一代类皮肤自供能可穿戴设备的研发奠定了坚实的基础。