柔性/彈性磁電功能材料與器件領域取得系列進展

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可穿戴與可植入設備是人體運動監控、健康監控以及人機交互等技術的基礎，在智慧醫療和智能機器人等萬億級產業上具有巨大的應用前景，其發展趨勢是柔性化，乃至彈性化以及多功能化，發展柔性乃至彈性磁電功能材料與器件是核心與關鍵。然而，一般來說磁電功能材料多為金屬或氧化物等無機材料，其柔韌性差；柔性或彈性材料多為高分子材料，通常不具備磁電功能。如何將磁電功能材料柔性化或彈性化，或者將柔性或彈性材料功能化是該領域的一大挑戰。為此，中國科學院寧波材料技術與工程研究所磁性材料與器件重點實驗室磁電子材料與器件團隊圍繞導電和磁性等功能材料的柔性化和彈性化開展研究工作，在柔性和彈性磁電功能材料、導體與感測器等方面取得了系列進展。

（一）大應變的彈性導電材料和彈性加熱器件

可拉伸導電材料通常是將納米或微米量級的導電填料（石墨烯、碳納米管、金屬納米線/納米顆粒等）摻入到彈性聚合物中，通過分散複合或層積複合等方法處理後得到具有導電功能的多相複合體系。由於固態導電填料與彈性基體的彈性模量相差很大（約100萬倍），大應變時構成導電通路的填料顆粒間隙會發生明顯變化，造成導電性能不穩定；此外，固態導電填料的大量引入會提高導電材料的導電性，同時也會惡化其彈性，導致摻雜量有限，因此它的導電性一般較差。如何獲得兼容高電導率、拉伸穩定性和大應變的彈性導體仍是一項挑戰。

為解決上述問題，博士生郁哲、研究員尚傑和李潤偉等採用液態金屬作為導電填料，同時在導體內構建「葫蘆串」狀導電網路結構來釋放應變，進一步提高它的應變穩定性。結果表明，該可拉伸導電材料的導電性能夠達到導體範疇（大於1000S/cm），並可以實現超過1000%的拉伸，更為重要的是，拉伸100%時電阻的波動小於4%，比傳統可拉伸導電材料電阻的變化率降低了2-3個量級，實現了可拉伸導體大應變下的穩定性。如圖1a所示。該成果以底封面文章發表在Advanced Electronic Materials（Adv. Electron. Mater. 2018, 4, 1800137）上。進一步，採用上述可拉伸導電材料作為墨水，搭建了直寫式印表機，實現了此材料在彈性基底上的直接列印和圖案化設計，如圖1b所示，設計列印出的彈性加熱器件，具有良好的熱穩定性。該項工作為柔性可穿戴電子器件製備提供了新的材料和技術。該成果發表在Advanced Materials Technologies（Adv. Mater. Technol.2018, 3, 1800435）上。

（二）綠色環保的可回收柔性紙基電路

柔性電路是一種創建在柔性基板上的特殊電路。目前其應用還存在著兩大挑戰：一是疲勞特性差，多次循環應變下易斷裂失效；二是不能循環利用，傳統焚燒、酸洗等回收方式污染環境。針對上述挑戰，博士生李法利、副研究員劉宜偉和研究員李潤偉等在紙上製備了液態金屬基柔性電路，替代傳統的銅、鋁、銀等電路，不僅解決了其彎折疲勞性差的問題，而且可回收（圖2為用回收前後的液態金屬製備的電路），實現了紙基電路在製造、使用、回收等全生命周期的綠色化。電路線寬在10μm-200μm間可調，且通過多達10000次的對摺測試發現，該電路電阻的最大變化率僅為4%，具有很好的應變穩定性。此外，該紙基電路具有良好的散熱功能。實驗顯示，在液態金屬基紙基電路工作的LED燈相對於純紙表面的LED燈溫度有顯著降低。該工作為發展綠色可回收的柔性電路提供了新的方法，成果發表在Advanced Materials Technologies（Adv. Mater. Technol.2018, 1800131）上。

（三）數字化的柔性觸覺感測器

讓假肢產生觸覺是眾多殘疾人的夢想，而電子皮膚正是這樣一種可以讓人體假肢產生觸覺的系統。但大多數的電子皮膚只能將外力刺激轉換成模擬信號，無法像人體皮膚一樣將外力刺激轉換成生理脈衝，並精確地傳送給神經系統直至大腦。針對這一問題，博士生巫遠招、副研究員劉宜偉和研究員李潤偉巧妙地採用電感-電容（LC）振蕩機理設計電路（如圖3a），當外界應力/應變引起電感值發生變化時，LC電路的頻率就會發生變化，從而獲得外加應力/應變與頻率的對應關係，進一步通過優化LC共振電路，便可使其工作在人體的生理脈衝頻率範圍內。此外，還設計了「Air gap」結構（如圖3a），採用非晶絲作為磁芯提高其性能，獲得了靈敏度為4.4kPa-1、探測極限為10μN（相當於0.3Pa）的數字化柔性觸覺感測器件（如圖3b），並且通過優化感測器的模量和結構，可以兼容寬的探測範圍，既可感知微弱的蚊蟲和脈搏，亦可以感知搬舉重物時的壓力。該工作為發展數字化仿生電子皮膚提供了一種新的方法。該成果發表在《科學》子刊Science Robotics（Sci. Robot.2018, 3, eaat0429）上。