[发明专利]自复原复合材料及其应用

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年11月9日提交的美国临时申请序列号61/724,838的权益，其公开内容通过引用以其全部被并入本文。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

根据空军科学研究办公室授予的合同FA9550-12-1-0190，该发明由政府支持进行。政府拥有该发明的某些权利。

发明领域

本公开一般涉及自复原材料，以及更具体地涉及自复原复合材料以及这种复合材料的应用。

技术背景

当面临生物系统中的机械破裂的困境时，自然界提供智能解决方案：自复原。诸如人类皮肤的柔软生物材料当损伤时具有自愈合或自修复的能力。在伤口愈合后，皮肤能够保持感测功能。机械损伤后的自愈合能力显著地提高了生物材料的寿命。同样地，尽管经受机械损伤，但合成的自复原聚合物将能够修复其自身并且使功能复原。这种自复原聚合物将应用于范围从功能表面、电导体、和电子皮肤的应用中以提供提高的寿命和耐久性。

针对该背景出现了开发本文描述的自复原聚合物和复合材料的需要。

发明内容

该公开的一个方面涉及电池电极。在一个实施方式中，电池电极包括电化学活性材料和覆盖该电化学活性材料并且包括自复原聚合物的粘合剂。

该公开的另一方面涉及自复原复合材料。在一个实施方式中，自复原复合材料包括由通过可逆键交联的分子形成的聚合基体和分散在该基体中的导电添加物。自复原复合材料具有至少1S/cm的电导率。

该公开的进一方面涉及压阻传感器。在一个实施方式中，压阻传感器包括自复原聚合物，该自复原聚合物包括由通过可逆键交联的分子形成的基体，该可逆键具有4kJ/mol至100kJ/mol范围内的键合强度。压阻传感器还包括以低于电渗流阀值的负载水平分散在自复原聚合物中的导电添加物。

也考虑该公开的其它方面和实施方式。前述发明内容和下面的详细描述并非意欲将该公开限于任何具体的实施方式，而仅仅意欲描述该公开的一些实施方式。

附图说明

为了更好地理解该公开的一些实施方式的本质和目标，应结合附随的附图参照下面的详细描述。

图1.缔合基团和可逆键的实例，分子可以通过其相互作用以形成交联的基体。

图2.(A)、(B)、(C)和(D)：由分子形成的实例自复原复合材料的示意图，该分子通过它们的缔合基团相互作用形成交联的基体。

图3.包括自复原电极的电池的示意图。

图4.自复原电极的设计和结构。a，方案1：常规硅(Si)电极的设计和行为的示意性说明，显示由于粒子和聚合物粘合剂中的裂化导致电接触的损失的电极故障。方案2：可拉伸的自复原电极的设计和行为的示意性说明，显示由于拉伸性和结合自复原化学，保持破坏的粒子之间的电接触并且在聚合物粘合剂中没有裂纹。b，自复原聚合物(SHP)的化学结构。线：聚合物主链；明暗方框：氢键合位点。

图5.自复原复合材料的表征。a，SHP的差示扫描量热(DSC)曲线，其显示SHP的Tg为大约0℃，远低于室温。插图，SHP的照片。b，使用具有复合SHP的电池供电的电路作为连接发光二极管(LED)至电池的导电路径证明导电复合材料的电和机械自复原能力。c，SHP和其它传统聚合物粘合剂的拉伸试验，显示SHP展示了比传统聚合物粘合剂高得多的拉伸性。d，在不同应变下电阻(R)和初始电阻(R0)之间的比率，显示SHP/碳黑(CB)复合材料在整个拉伸循环中保持是导电的。e，将SHP/CB复合材料涂覆至可充气的气球上以模拟在循环过程中硅粒子的体积变化。在球的充气和放气的重复循环期间监视其电导率的变化。SHP/CB涂层在整个膨胀/收缩过程中保持是导电的。比例尺：2cm。