Adv. Mater.：液态金属复合弹性体材料实现高介电性、柔韧性“双赢” 学术资讯

来源：X一MOL资讯

具有感知、刺激驱动、能量储存于收集等功能的软物质材料是构筑柔性可穿戴电子器件、软体智能机器人等器件的核心关键材料。通常，人们多采用功能性无机纳米颗粒掺杂的方式赋予软体有机材料优异的电性能、热性能等。但是，高掺杂量无机组分的引入多导致有机基体材料柔韧性的较大损耗，使得复合材料体系在软物质领域的应用受到限制。

近日，美国卡耐基梅隆大学Carmel Majidi教授研究团队采用液态金属取代传统的无机功能纳米颗粒，实现了兼具高介电性和优异柔韧性复合软弹性体材料的简便构筑。研究人员系统地探究了不同液态金属尺寸对掺杂复合材料电性能和柔性的影响。该研究成果为新型功能软物质材料工程应用方面具有变革性的影响。

不同尺寸液态金属的构筑及性能测试。图片来源：Adv. Mater.

研究人员采用不同的合成方法分别制备了直径为100 nm、1 µm和10 µm尺度的液态金属EGaIn合金复合材料，并用于构筑LM-弹性体复合材料。介电击穿强度（Eb）测试表明，少量掺杂（10 vol%）大粒径（10 µm）LM导致复合材料击穿强度及柔韧性的显著降低（135 → 2 kV mm-1 ）；但是直径100 nm、1 µm尺度LM掺杂对材料击穿强度的损耗较低。

LM-弹性体复合材料介电性能测试。图片来源：Adv. Mater.

以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为弹性基体，不同尺寸LM掺杂量对复合材料相对有效介电常数（εr）和耗散因数（D）的影响测试表明：LM-弹性体复合材料在不同频率（0.1- 200 kHz）测试条件下皆呈现较低的εr （<0.05）和耗散因数，适作静电存储电容器介电材料。同时，研究表明LM-弹性体复合材料其弹性基体可进一步拓展至聚氨酯、氟橡胶、硅酮弹性体等聚合物体系。

LM-弹性体复合材料机械性能测试。图片来源：Adv. Mater.

在LM-弹性体复合体系机械性能方面，100 nm、1 µm 直径的LM掺杂复合材料其柔韧性与空白弹性基体相当；且在循环拉伸或大幅度拉伸应变条件下呈现出较低的机械滞后，具有优异的柔韧性。在软物质工程应用方面，该纳米LM-弹性体复合材料构筑的介电弹性体驱动器和介电弹性体发电机在高频工作模式下展现出更为优异的电性能。

LM-弹性体复合材料应用展示。图片来源：Adv. Mater.

总结

基于无机纳米材料引入不可避免的带来软材料模量和硬度（脆性）的升高，该论文转变思路以液态金属微纳“颗粒”作为功能性填料，有效解决了上述瓶颈问题。该研究成果在材料体系结构（组成）与性能方面的系统探究，为其他新型功能软物质材料的构筑与应用提供了新的思路。

A Liquid-Metal-Elastomer Nanocomposite for Stretchable Dielectric Materials

Chengfeng Pan, Eric J. Markvicka, Mohammad H. Malakooti, Jiajun Yan, Leiming Hu, Krzysztof Matyjaszewski, Carmel Majidi

Adv. Mater., 2019, 31, 1900663, DOI: 10.1002/adma.201900663

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