東華大學武培怡/孫勝童團隊《Nat. Commun.》:自修復納米纖維網增韌離子皮膚 - 耐疲勞性能媲美真實皮膚
2022-07-31 來源:高分子科技
發展具有真實皮膚力學和電學性能的可拉伸離子感知材料對未來人機交互和軟體機器人至關重要。然而,人工合成材料實現類似皮膚的導電、可拉伸、柔軟、強韌、自修復和耐疲勞等綜合性能是極為困難的,因為這些性能往往基于不同甚至截然相反的分子設計策略。就提高可拉伸材料使用壽命而言,自修復和耐疲勞性能同等重要,但多數自修復離子皮膚難以耐受循環疲勞斷裂。究其原因,基于均一高分子網絡設計的自修復離子皮膚在缺陷存在時極易發生裂紋擴展,從而引發結構整體性破壞。常見的力學耗散增韌策略往往只能解決離子皮膚單次拉伸的抗撕裂韌性問題,對多次循環拉伸無效。如何同時賦予離子皮膚自修復能力和高耐疲勞韌性已逐漸成為制約高性能可拉伸離子感知材料發展的瓶頸難題。
針對目前離子皮膚自修復性和耐疲勞性難以兼得的關鍵問題,近期該研究團隊提出了如下的解決策略:模擬真實皮膚的可修復納米纖維復合結構,將高模量自修復聚氨酯納米纖維網與另一自修復低模量離子導電基質進行復合,可獲得具有極高耐疲勞性能(疲勞閾值,Γ0 ~2,950 J m-2)的新型自修復離子皮膚材料,同時兼有透明、柔軟、應變硬化、高拉伸、自粘附等多種優異性能,綜合性能媲美真實皮膚。此外,納米纖維網絡拉伸擠壓吸濕性離子導電基質,迫使其脫水造成電導率下降,由此帶來的應變傳感靈敏度高達66.8,為已報道本征可拉伸離子導體的最高值。
圖1. 耐疲勞自修復離子皮膚的仿生設計與綜合性能對比
圖2. 復合離子皮膚的優異力學性能
圖3. 復合離子皮膚的自修復性、粘附性及環境穩定性
圖4. 復合離子皮膚的高應變感知能力
圖5. 復合離子皮膚應變感知強化的機理分析
論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-32140-3
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(責任編輯:xu)
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