美国卡内基-梅隆大学卡梅尔-马杰迪教授Advanced Materials：液态金属-弹性体纳米复合材料用于可拉伸的介电材料

【引言】

软材料是可穿戴电子设备和软体机器人的关键组分。制备软材料的常见策略是将无机填料和柔软的聚合物混合来形成结合了聚合物的机械性能和无机填料的电气性能、热性能的复合材料。然而，这种策略的局限性在于需要加入大量填料提高电气性能或者热性能，这经常导致聚合物的机械性能变差，导致软材料的刚性变强、弹性变弱。 Gallone 等人用填料提高了硅酮弹性体的介电常数，但降低了机械性能。用液态金属液滴取代填料是不错的选择。含有液态金属的弹性体复合材料结合了硅酮橡胶的柔性、弹性和高介电常数、高热导率、断裂韧性。这种复合材料已经通过共晶镓铟的微米级液滴的多分散悬浮液合成而得。然而，这种材料的缺陷是由其非均一的微观结构导致的介电击穿强度的降低。用亚微米级液滴取代微米级液滴可以提高这种材料的介电常数和保持弹性体的介电击穿强度不变。液体金属液滴的尺寸除了对这种材料的介电击穿强度有影响外，还对机械性能产生影响。

【成果简介】

近日，美国卡内基-梅隆大学卡梅尔-马杰迪教授在期刊Advanced Materials上报道了一系列可拉伸的液态金属-弹性体纳米复合材料，研究了液态金属的尺寸对这些材料的介电性能和机械性能的影响。纳米尺度的液态金属能提高这些材料的介电常数，不显著降低它们的弹性柔度、可拉伸性和介电击穿强度。相反，微米尺度的液态金属也能提高这些材料的介电常数，却显著降低它们的介电击穿强度。

【图文导读】

图1.液态金属-弹性体纳米复合材料

a)被拉伸的液态金属-弹性体纳米复合材料; b)Nano-CT扫描展示的三维微观结构表明直径分别为1 µm和100 nm的液态金属液滴的均匀分布；c)直径分别为10 µm、1 µm和100 nm的液态金属液滴的显微图像；d) 液态金属液滴直径分别为10 µm、1 µm和100 nm的液态金属-弹性体纳米复合材料的介电击穿强度和断裂时应变。

图2.液态金属-弹性体纳米复合材料的介电性能

a–c) 液态金属-PDMS复合材料的介电击穿强度（a）、有效介电常数（b）、介电损耗因子（c）分别与液态金属含量的关系；d–f) 由不同聚合物组成的液态金属-弹性体复合材料的介电击穿强度（d）、有效介电常数（e）、介电损耗因子（f）。

图3.液态金属-弹性体纳米复合材料的机械性能

a–b)液态金属-弹性体纳米复合材料的拉伸模量（a）、断裂时应变（b）分别与液态金属含量的关系；c) 液态金属体积分数为20%的复合材料和纯PDMS的应力-应变曲线；d–f) 液态金属体积分数为20%的复合材料的循环拉力测试（d）、弹性模量（e）、永久的非弹性变形（f）。

图4.介电弹性体驱动器和介电弹性体发电机

a)介电弹性体驱动器的结构；b)纯PDMS和液态金属-PDMS纳米复合材料分别作为介电层的介电弹性体驱动器的一个驱动循环； c)两种介电弹性体驱动器的驱动力；d) 两种介电弹性体驱动器的11个驱动循环的驱动力； e) 拉伸状态的介电弹性体发电机的结构；f) 上图：纯PDMS和液态金属-PDMS纳米复合材料分别作为介电层的介电弹性体发电机在6个采集电能的循环的电压；中图：两种介电弹性体发电机的电容；下图：两种介电弹性体发电机的拉伸测试；g) 两种介电弹性体发电机每个循环采集的电能（左图）和所做的机械功（右上图）以及两种发电机的效率（右下图）。

【小结】

作者团队制备了液态金属液滴直径不同的液态金属-弹性体纳米复合材料，并研究了液滴直径对这些材料的机械性能和介电性能的影响。液滴直径为10µm的这些材料的介电击穿强度随着液态金属的体积分数的增加而显著降低。相反，液滴直径分别为1 µm和100 nm的这些材料的介电击穿强度呈现更稳定的线性的降低。液滴直径较小的这些材料保留了聚合物基体的拉伸性。而且，直径较小的这些材料产生刚性。最后，这些材料普遍呈现出高弹性行为和可忽略的机械滞后。这些材料的机械性能和介电性能使这些材料对软材料驱动、能量存储、能量采集产生变革性影响。

文献链接：A Liquid‐Metal–Elastomer Nanocomposite for Stretchable Dielectric Materials（Advanced Materials，2019，DOI: 10.1002/adma.201900663 ）

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