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AM:高透明柔性导电复合材料

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【研究背景】

柔性透明导电材料是柔性电子器件中不可或缺的组成部分。导电玻璃(氧化铟锡,ITO)因兼具导电性和透明性,在工业中应用广泛,但是该材料脆性大,成本高。因此,研究者将导电复合材料看作是最有希望的替代性材料。

银纤维具有卓越的导电性,是复合材料中最具优势的导电功能填料。但是,高导电性和高透明性不可兼得是限制该类材料进一步发展的瓶颈。当银纤维含量较低时,复合材料具有良好的透明性,但是导电性差;增加银纤维含量会增加导电性,但是透明性和柔性却降低了。因此,获得兼具柔性、高导电性、高透明性的导体材料是亟待解决的难题。


【成果简介】

近日,南洋理工大学Pooi See Lee博士团队在Advanced Materials发表题为“A Deformable and Highly Robust Ethyl Cellulose Transparent Conductor with a Scalable Silver Nanowires Bundle Micromesh”的最新研究成果,Jiaqing Xiong是文章的第一作者。研究人员基于银纤维溶液液滴中的马拉高尼效应,利用溶液喷射方法获得了银纤维束构成的筛网状导电网络。和无规则结构相比,该筛网结构组成的复合材料具有高透明性、高导电性、良好的防水性和柔性。另外,该制备方法具有操作简单,成本可控,效率高及易于规模化生产的优点。


【研究亮点】

(1)设计了银纤维束构成的筛网状导电网络,获得了兼具高透明性和高导电性的柔性薄膜。

(2)制备方法(液体喷射)简单快捷,使得高透明柔性导体材料可规模化生产,有希望替代当前常用的ITO导电玻璃。


【主要内容】

AM:高透明柔性导电复合材料

图1 银纤维束筛网结构的制备方法和微观组织结构

(a) 液体喷射制备方法示意图;

(b, c, d, e) 银纤维束筛网结构的微观结构;

(f, g) 银纤维束筛网结构复合材料具有低电阻和高透明性。


要点解释将银纤维溶液液滴喷射在聚合物基板上,马拉高尼效应(由表面张力引起)使得液体中心的溶液带着银纤维向液滴边缘移动,最终得到银纤维组成的筛网结构(图1b)。该结构中,每一个液滴中的银纤维按照同一方向排列,形成纤维束,降低了接触电阻,使得材料具有高导电性(图1f)。此外,低纤维含量和网眼结构赋予材料优异的透明性(图1g)。

AM:高透明柔性导电复合材料

图2 银纤维束筛网结构复合材料的导电性和透明性

(a, b, d) 以乙基纤维素为基体的银纤维束筛网复合材料的微观组织结构;

(c, e) 银纤维含量对导电性和透明想的影响;

(f-j) 银纤维束筛网结构和无规则结构复合材料导电性和透明性的对比。


要点解释乙基纤维素因其良好的力学性能和透明性,可作为银纤维筛网的基体材料。在柔性导体中,银纤维含量是影响复合材料性能的主要因素。在传统复合材料中,当银纤维含量较低时,透明性较高,但是导电性差。增加纤维含量,导电性升高,但是透明性和柔性均降低。在该文章中,筛网结构的柔性导体同时具有良好的导电性和透明性,巧妙地解决了该问题(图2h)。

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图3 银纤维束筛网结构复合材料的力学和电学性能

(a, b, c, e, f, h,) 柔性导体应用展示,弯曲、拉伸和对折条件下导电性良好;

(g) 柔性导体具有良好的力学性能;


要点解释可穿戴电子器件要求柔性导体在高拉伸应变、弯曲、折叠和扭转等复杂条件下保持良好的导电能力。研究表明,该柔性导体在50%拉伸应变、多次对折和弯曲等加载条件下均具有良好的电导率。

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图4 银纤维束筛网结构导体的化学稳定性


要点解释在长时间氧化、潮湿和光照等条件下,银纤维束筛网的导电性快速下降;当加入乙基纤维素作为基体后,导电性略有改善,但是仍然不稳定。研究人员通过在柔性导体表面制备憎水性纤维素酯涂层解决了该问题。此外,经过封装的柔性导体不仅耐水洗,而且在强酸强碱环境中具有良好的稳定性。


【总结与展望】

高透明柔性电子导体在柔性电子器件中具有不可替代的作用,要求其在高拉伸应变、弯曲、折叠和扭转等复杂状态下具有良好的综合性能。然而,传统的导电复合材料存在高导电性、高透明性和柔性不能兼得的难题。该研究借助溶液液滴内部的对流,利用简单可控的液体喷射方法,巧妙地制备了银纤维束组成的筛网结构复合材料,获得了兼具高透明性、高导电性、良好的化学稳定性和力学性能的柔性导体。


【文献链接】

A Deformable and Highly Robust Ethyl Cellulose Transparent Conductor with a Scalable Silver Nanowires Bundle Micromesh. (Advanced Materials, 2018. DOI: 10.1002/adma.201802803)

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201802803

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人丨沙枣树

主编丨张哲旭


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