拉伸诱导导电增强凝胶

凝胶和弹性体的电阻通常随着拉伸应变而增大，这限制了它们的导电稳定性。为了获得高电导率，相关报道已经研究了将导电填料如金属颗粒、导电聚合物、MXene、碳纳米管和石墨烯掺入凝胶基质中的方法。但由于刚性导电填料与凝胶基质的相互作用较差，凝胶的断裂应变、拉伸强度和韧性等力学性能会降低。同时，为了在实际应用中稳定有效地传输电信号，凝胶必须具有应变不敏感的电学性能。而刚性填料在凝胶拉伸过程中无法变形，无法形成导电通路，导致凝胶的电阻增加。因此，制备具有高强度和高导电性，并且能够在拉伸下保持导电稳定性的凝胶仍然是一个挑战。为了解决这一问题，苏州大学团队通过银纳米线（AgNWs）、液态金属（LM）颗粒和聚乙烯醇（PVA）纳米晶体的拉伸诱导取向实现了高导电韧性PVA-AgNWs-LM（PAL）凝胶。这种创新方法协同增强了凝胶的力学性能，显著提高了极限断裂应力（13-33MPa）、应变（3000%-5300%）和韧性（390.9-765.1MJm-3）。同时可以实现应变增强电导率和应变不敏感的电学性能，在应变载荷下，凝胶的电导率比初始状态提高了6000倍。拉伸诱导的PVA纳米晶、可变形LM和AgNWs可以有效地缓解裂纹尖端的应力集中，赋予凝胶裂纹扩展不敏感性和抗疲劳性。可逆交联网络允许损坏的凝胶被回收并重新制备。【PAL凝胶的制备和表征】图1.

PAL凝胶的制备过程和拉伸诱导的三重取向的示意图。图1显示了PAL凝胶的制备过程。95°C下将LM颗粒和AgNWs添加到PVA溶液中，以获得凝胶前驱体溶液。将制备的前驱体溶液转移到硅胶模具中进行水挥发步骤，水挥发过程中由于分子链缠结和可逆键相互作用形成PAL凝胶。AgNWs和LM颗粒可以很好地分散在凝胶中，LM颗粒外层的Ga2O3可以与PVA分子链的羟基相互作用，使LM颗粒与PVA具有良好的相容性，避免了LM的泄漏。当受到应变载荷时，AgNWs、LM颗粒和PVA结晶发生取向，以协同增强凝胶的机械性能。取向的LM颗粒和AgNWs形成导电通路，进一步增强了凝胶的导电性。图2.PAL凝胶的微观表征研究者对凝胶进行了微观表征（图2），表明LM颗粒能够在凝胶中均匀分布，且与PVA分子链之间存在相互作用。SAXS和WAXS图谱证明了在拉伸时凝胶内的PVA纳米晶、LM颗粒和AgNWs都发生了取向。这种三重取向效应可以协同增强凝胶的力学性能，取向的LM颗粒和AgNWs可以在应变加载过程中形成导电通路来增强凝胶的导电性。【PAL凝胶的力学性能】图3.PAL凝胶的机械性能PAL凝胶表现出高的杨氏模量和韧性，其高机械性能源于PVA聚合物链之间由低含水量而产生的强烈相互作用，LM颗粒对PVA表现出塑化效果。同时，凝胶中存在的非共价交联的聚合物基体、拉伸诱导产生的PVA纳米晶体以及在拉伸方向上取向的AgNWs和LM颗粒协同作用，可以有效地消除和转移应力集中，使PAL凝胶具有良好的抗撕裂性能。【拉伸诱导电导率增强】图4.PAL凝胶的拉伸诱导导电性增强PAL凝胶在拉伸时呈现出显著的电导率增强的现象（图4），当拉伸到4200%应变时，PAL-3凝胶的电导率增加了6000倍以上。这种电导率的显著增加超过了理论电阻常数导体，使PAL-3凝胶表现为在高应变下的电阻降低。这种反常的电学现象是由于LM颗粒和AgNWs在拉伸过程中取向，使PAL凝胶中形成导电通路，显著提高了电导率。有限元分析模拟拉伸过程中PAL凝胶内部的LM颗粒和AgNWs的取向行为也与实验结果相一致。【PAL凝胶的应用和可回收性】图5.PAL凝胶的应用和可回收性得益于拉伸诱导的电导率增强效应，PAL-3凝胶的电学性能表现为对应变的不敏感。循环拉伸试验也表明PAL凝胶具有良好的稳定性。同时，可逆交联网络允许损坏的凝胶被回收并重新制备。【结论与展望】该研究通过拉伸诱导AgNWs、LM颗粒和PVA纳米晶取向制备高导电性和高韧性PAL凝胶。制备的凝胶具有良好的力学性能，应变下取向的LM颗粒和A