西南大学张贻川、深圳大学陈光明《AFM》：像皮肤一样柔软并具有“J型”应力-应变行为的复合热电材料用于自供电应变传感

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-11-21 07:37

主要观点总结

本文介绍了聚（3,4-乙撑二氧噻吩）:聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT:PSS）与水性聚氨酯（WPU）和离子液体（IL）结合形成的复合材料在热电应用方面的研究进展。该复合材料具有高拉伸应变、超柔韧性和应变灵敏度，可呈现出类似于人体皮肤的“J型”应力-应变行为，并被认为是理想的高应变灵敏度和准确度的自供电传感器。特别是在人体运动检测和可穿戴电子产品方面的应用潜力巨大。

关键观点总结

关键观点1: 研究背景及重要性

随着可穿戴电子产品的普及，对柔性、无缝集成的热电材料的需求增加。PEDOT:PSS作为一种有广泛应用前景的材料，其力学性能调控和复合材料的开发具有重要意义。

关键观点2: 研究方法和主要发现

研究者采用水性聚氨酯 (WPU) 和精心选择的离子液体 (IL) 调控 PEDOT:PSS 的力学性能，成功制备了具有稳定热电电压和“J型”应力-应变行为的复合材料。该材料展现出高拉伸应变、超柔韧性和出色的应变灵敏度。

关键观点3: 材料的性能特点

该复合材料具有类似于人体皮肤的非线性弹性行为，能够在人体运动检测及可穿戴电子产品方面发挥巨大作用。其高应变灵敏度和准确度使其成为理想的自供电传感器材料。

关键观点4: 实验结果及影响

实验结果表明，该复合材料在人体运动检测及可穿戴电子产品方面具有巨大应用潜力。不同离子液体和WPU含量的优化为材料性能的提升提供了有力支持。该研究为柔性热电材料的发展开辟了新的道路。

正文

高分子热电（TE）材料可以在没有外接电源的情况下驱动低功耗的可穿戴电子产品，其中聚（3,4-乙撑二氧噻吩）:聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT:PSS）是一种有广泛应用前景的材料。然而，未处理的PEDOT:PSS材料太硬太脆（杨氏模量>500 Mpa，断裂伸长率<5%），难以无缝并舒适地集成到可穿戴设备。最近， 西南大学张贻川副教授和深圳大学陈光明教授 采用水性聚氨酯 (WPU) 和精心选择的离子液体 (IL) 调控 PEDOT:PSS 的力学性能，制备的PEDOT:PSS/WPU复合材料表现出稳定 TE 电压、高拉伸应变（>500%）、超柔韧性和出色的应变灵敏度，并且在加载/释放处理后，复合材料呈现出类似于人体皮肤的“J型”应力-应变行为。该行为结合了低应变下“脚趾”区域足够的柔软性、高拉伸性和变形后期强劲的应变硬化能力，这样的非线性弹性行为使其能够与人体皮肤无缝、舒适地融合。考虑到复合材料优异机械性能和应变传感能力，它被设计为具有高应变灵敏度和准确度的自供电传感器。这项工作表明该复合材料在人体运动检测及可穿戴电子产品方面具有巨大应用潜力。

上述研究工作近期以“Skin-like soft thermoelectric composites with a “J-shaped” stress-strain behavior for self-powered strain sensing”为题发表在 Adv. Funct. Mater. 2024, 2420644; DOI: 10.1002/adfm.202420644。西南大学化学化工学院张贻川副教授为该论文第一作者兼通讯作者，深圳大学材料学院陈光明教授为通讯作者。

图1a~c展示了复合材料各个组分的化学结构、制备示意图及材料的拉伸特性。图1d展示了IL（EMIM:TCM）含量对复合材料热电性能的影响，结果表明EMIM:TCM含量是25wt%（X=25）时，复合材料热电性能最优异。图1e比较了不同离子液体（EMIM:BF4，EMIM:ES，EMIM:TCM和EMIM:TF2N）对材料热电性能的影响，结果表明EMIM:TCM处理后的复合材料热电性能最优异。因此，IL选择为EMIM:TCM，并且保持含量为25wt%（X=25）。

图1. 复合材料各组分、制备及性能

图2a展示了复合材料在不同WPU下拉伸特性，在WPU含量为85wt%时（Y=85）材料可以被拉伸到100%的应变。通过电导率和经典逾渗公式分析发现，材料的导电组分是一维结构（图2b），并且在Y=85以下材料的热电性能很稳定（图2c）。在复合材料经过加载/释放处理后，材料可以展现出类似于人体皮肤一样的“J型”应力-应变（图2d），并且材料的弹性模量4.32 ± 0.32 MPa 与1.04 ± 0.24 MPa之间（图2e），该数值几乎等同于人体皮肤的弹性模量(0.69~3.7 MPa)。在经过处理之后，复合材料的Seebeck系数依然保持稳定（图2e），这对于为可穿戴电子设备提供稳定的电压至关重要。

图2. 复合材料的力学性能、电学性能和Seebeck系数

图3a和b展示了复合材料具有高的响应特性和重复特性。将该复合材料设计为一个自供电的拉伸应变传感器（图3c），材料的外界电压和电流随着应变有明显的响应特性（如3d）。此外，可以将该材料贴在人体的不同关节处（例如手腕或肘部），材料对于人体运动可以展示出响应特性（图3e~g）。由于人体关节不可能做完全的重复运动，电信号在每个循环处也展示出轻微的差异，这表明材料自供电传感能力的精确特性。这些结果表明，该复合材料在可穿戴自供电传感电子设备中具有巨大的应用潜力。

图3. 复合材料的电学响应特性

总结： 研究者制备的PEDOT:PSS/WPU材料具有稳定的热电电压，并且可以呈现出类似于人体皮肤的“J型”应力-应变行为，表明材料可以与人体皮肤无缝、舒适地融合在一起，材料在人体运动检测及可穿戴电子产品方面具有巨大应用潜力。