基于电纺纤维的高导热柔性可拉伸电子器件制备与研究

近年来,柔性电子器件因其能够在弯折、扭曲、折叠、拉伸等情况下仍能保持稳定的电学性能而成为当下科学研究的热点之一。相比常规硬质器件,柔性电子器件在诸如柔性传感器、可穿戴设备、能源存储、植入医疗等领域有着广泛的应用。与高导热复合纳米材料类似,柔性电子器件的制备目前多是通过将导电纳米材料(例如纳米线、纳米管、石墨烯等)与柔性高分子基体复合来获得。然而在器件反复形变过程中,导电纳米材料间的接触电阻变大,以及纳米材料与高分子基体之间的不良接触等,均会使得柔性电子器件在运行过程中积聚大量不必要的热量。这些热量如果不能及时从器件中消散,势必会影响器件的性能和寿命,甚至会危及整个系统的安全。即对于柔性电子器件,除了卓越的电学性质和力学性质,稳定的热学性能同样必要。探寻恰当的热管理材料与结构,并应用于柔性电子器件领域,对其机理展开深入研究,对于新一代柔性可穿戴电子器件的发展显得尤为重要。本论文从有序排列的纳米粒子在形貌可控电纺纤维中易于相互搭联形成稳定网状结构,以及电纺过程中高电场力可以提高材料导热系数等特点入手,以氮化硼纳米片为无机导热物质,制备了静电纺丝纤维基导热纳米复合材料,并将其应用在柔性可拉伸电子器件中。首先,利用静电纺丝并结合抽滤和旋涂的方法,制备了一种兼有高导热性和高导电性的层压柔性可拉伸电极。该柔性可拉伸电极电阻变化小、力学性能优异、可在拉伸200%时仍保持出色的电学性能,0?值为1.46。另外,二维氮化硼纳米片(BNNSs)的加入使得样品导热性增强,即使在100%的拉伸下,稳定工作温度的波动也仅在10%以内,由此避免了在使用过程中由于焦耳热引起的热失效,从而达到了保护装置和延长装置寿命的目的。该柔性可拉伸电极制作方法简易,成本低廉,在新一代智能电子、高温电源、电子设备等领域具有良好的应用前景。其次,通过优化GNRs和BNNSs含量,利用电纺TPU纤维膜作为支架,并以GNRs和BNNSs分别作为导电和导热的活性材料,制备了基于层压纳米复合材料的柔性可拉伸传感器。该传感器具有高度可拉伸性以及耐久性,在超过1200个循环过程中,保持了较高的热稳定性,此外其生物相容性良好,因此可用来精确地感测人体的运动。基于纳米纤维膜的大比表面积及低的孔隙率,石墨烯纳米带在纤维表面上更均匀且紧密分布,因此显示出较高的灵敏度,和响应速度快、优异的耐久性等特点。由于制备方法简单、性能优良,在可穿戴器件领域具有潜在的应用价值。