美國卡內基-梅隆大學卡梅爾-馬杰迪教授Advanced Materials：液態金屬-彈性體納米復合材料用于可拉伸的介電材料

【引言】

軟材料是可穿戴電子設備和軟體機器人的關鍵組分。制備軟材料的常見策略是將無機填料和柔軟的聚合物混合來形成結合了聚合物的機械性能和無機填料的電氣性能、熱性能的復合材料。然而，這種策略的局限性在于需要加入大量填料提高電氣性能或者熱性能，這經常導致聚合物的機械性能變差，導致軟材料的剛性變強、彈性變弱。 Gallone 等人用填料提高了硅酮彈性體的介電常數，但降低了機械性能。用液態金屬液滴取代填料是不錯的選擇。含有液態金屬的彈性體復合材料結合了硅酮橡膠的柔性、彈性和高介電常數、高熱導率、斷裂韌性。這種復合材料已經通過共晶鎵銦的微米級液滴的多分散懸浮液合成而得。然而，這種材料的缺陷是由其非均一的微觀結構導致的介電擊穿強度的降低。用亞微米級液滴取代微米級液滴可以提高這種材料的介電常數和保持彈性體的介電擊穿強度不變。液體金屬液滴的尺寸除了對這種材料的介電擊穿強度有影響外，還對機械性能產生影響。

【成果簡介】

近日，美國卡內基-梅隆大學卡梅爾-馬杰迪教授在期刊Advanced Materials上報道了一系列可拉伸的液態金屬-彈性體納米復合材料，研究了液態金屬的尺寸對這些材料的介電性能和機械性能的影響。納米尺度的液態金屬能提高這些材料的介電常數，不顯著降低它們的彈性柔度、可拉伸性和介電擊穿強度。相反，微米尺度的液態金屬也能提高這些材料的介電常數，卻顯著降低它們的介電擊穿強度。

【圖文導讀】

圖1.液態金屬-彈性體納米復合材料

a)被拉伸的液態金屬-彈性體納米復合材料; b)Nano-CT掃描展示的三維微觀結構表明直徑分別為1 μm和100 nm的液態金屬液滴的均勻分布；c)直徑分別為10 μm、1 μm和100 nm的液態金屬液滴的顯微圖像；d)?液態金屬液滴直徑分別為10 μm、1 μm和100 nm的液態金屬-彈性體納米復合材料的介電擊穿強度和斷裂時應變。

圖2.液態金屬-彈性體納米復合材料的介電性能

a–c) 液態金屬-PDMS復合材料的介電擊穿強度（a）、有效介電常數（b）、介電損耗因子（c）分別與液態金屬含量的關系；d–f) 由不同聚合物組成的液態金屬-彈性體復合材料的介電擊穿強度（d）、有效介電常數（e）、介電損耗因子（f）。

圖3.液態金屬-彈性體納米復合材料的機械性能

a–b)液態金屬-彈性體納米復合材料的拉伸模量（a）、斷裂時應變（b）分別與液態金屬含量的關系；c) 液態金屬體積分數為20%的復合材料和純PDMS的應力-應變曲線；d–f)?液態金屬體積分數為20%的復合材料的循環拉力測試（d）、彈性模量（e）、永久的非彈性變形（f）。

圖4.介電彈性體驅動器和介電彈性體發電機

a)介電彈性體驅動器的結構；b)純PDMS和液態金屬-PDMS納米復合材料分別作為介電層的介電彈性體驅動器的一個驅動循環； c)兩種介電彈性體驅動器的驅動力；d) 兩種介電彈性體驅動器的11個驅動循環的驅動力； e) 拉伸狀態的介電彈性體發電機的結構；f) 上圖：純PDMS和液態金屬-PDMS納米復合材料分別作為介電層的介電彈性體發電機在6個采集電能的循環的電壓；中圖：兩種介電彈性體發電機的電容；下圖：兩種介電彈性體發電機的拉伸測試；g) 兩種介電彈性體發電機每個循環采集的電能（左圖）和所做的機械功（右上圖）以及兩種發電機的效率（右下圖）。

【小結】

作者團隊制備了液態金屬液滴直徑不同的液態金屬-彈性體納米復合材料，并研究了液滴直徑對這些材料的機械性能和介電性能的影響。液滴直徑為10μm的這些材料的介電擊穿強度隨著液態金屬的體積分數的增加而顯著降低。相反，液滴直徑分別為1 μm和100 nm的這些材料的介電擊穿強度呈現更穩定的線性的降低。液滴直徑較小的這些材料保留了聚合物基體的拉伸性。而且，直徑較小的這些材料產生剛性。最后，這些材料普遍呈現出高彈性行為和可忽略的機械滯后。這些材料的機械性能和介電性能使這些材料對軟材料驅動、能量存儲、能量采集產生變革性影響。

文獻鏈接：A Liquid‐Metal–Elastomer Nanocomposite for Stretchable Dielectric Materials??（Advanced Materials?，2019，DOI:?10.1002/adma.201900663?）

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