[发明专利]一种磁场调控的导电复合物及其制备方法

说明书

本发明公开了一种磁场调控的导电复合物，该复合物是以弹性硅橡胶为基体，在基体中分散有磁性材料，且所述的磁性材料呈定向排列。本发明利用渗流效应，将不同长径比的导电磁性材料引入弹性硅橡胶中，利用磁场对导电相的排列和取向进行调控，在需要导电的方向实现有效利用，从而达到超低渗流阈值，同时最大程度保留基体的弹性并实现高电导率。本发明制备的磁场调控的导电复合物，渗流阈值低至1.46vol％，电导率最高可达1.16S/m。本发明的导电复合物可以实现电导率各向异性的有效调控，制备方法简单，成本低廉，产率较高，可用于柔性压力传感器取代传统器件具有支撑层和导电层的两层结构。

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及一种磁场调控的导电复合物及其制备方法，该材料具有超低渗流阈值，导电相为磁性材料，可以通过磁场控制导电方向及电导率。

背景技术

当今时代，人工智能蓬勃发展，与之相关的柔性电子器件也广泛应用于各个生活中的方方面面，如柔性晶体管、柔性显示屏、电子皮肤、医疗监控、微表情及动作感应等。电阻式的压力传感器(压阻传感器)以其简单的结构、较高的灵敏度、易于实现高像素及宽灵敏压力区间等众多优点而受到广泛关注，因此也成为柔性压力传感器的主要发展方向之一。

目前研究的典型压阻传感器，器件结构中包含支撑层、导电层及电极。支撑层(多为PDMS)用于形成特定微观结构，如金字塔、圆柱微突结构等，表面感应层为蒸镀在支撑层表面的金属或者复合物导电薄层(多为聚3,4-亚乙二氧基噻吩/聚苯乙烯磺酸，PEDOT:PSS)。然后将微结构一面置于面内叉指电极或者平行电极之上，通过加载过程中电路的电阻不断地减小来传导压力变化。其中，导电感应层PEDOT:PSS的杨氏模量高达2.5GPa，而支撑层PDMS则只有2.5MPa。在长时间的加载与卸载运行过程中，表面感应层与支撑层间由于力学性能相差悬殊而容易发生界面失配、分离甚至开裂造成器件的破坏进而影响压阻传感器性能的稳定性及持久性，若用于测量人体的血压或者脉搏，一秒钟内就需要加载卸载一次、两次甚至更多，若要长期穿戴用于日常监测，对器件稳定性要求会更高，这样的破坏将会阻碍器件的真正应用。

因此，需要研制出一种既能够满足导电需求，又具有弹性不易断裂的一层材料来取代传统的两层材料，解决开裂问题，提高器件的稳定性。

高分子材料如硅橡胶等具有极低的弹性模量，可拉伸性十分强，Ecoflex的断裂伸长率高达900％，极适合于这些柔性器件。但是通常高分子材料的体积电阻率都非常高，约在10¹⁰-10²⁰Ω·cm之间，无法导电的缺陷阻碍着其在电子器件领域的发展。

目前常通过在不导电的高聚物基体中引入导电的填料，如石墨、金属纳米颗粒、碳纳米管等，利用渗流效应实现导电。所谓渗流效应，这里具体指导电渗流现象，是指在介电基体中引入导电相时，当导体相的体积含量达到某一临界值时，复合体系的电导率突然升高，幅度可达到多个数量级，从而实现绝缘体向导体转变的现象。其中，复合物的电导率突然升高时对应的导电相临界体积含量称为渗流阈值。渗流阈值随导电相的形态及尺寸不同也会有差异，当导电相是纳米颗粒时渗流阈值高达12vol％甚至更高。然而，导电相尤其是金属导电相杨氏模量很高，引入到复合物基体中无疑会起到增强硬化的作用，使其杨氏模量变大，弹性基体的力学性能受到影响。根据渗流理论，长径比较大的线、棒等形态的导电相，而对于导电相随机取向排列的系统，又会出现两个新的问题，第一，导电相排列没有秩序，如纳米线、纳米管等会相互交叉支撑，对基体硬化作用仍然较大。而且部分导电相并没有被充分利用，这样就无谓地牺牲了基体的杨氏模量，即损害了弹性。第二，导电相分布及取向随机，将会影响制备得到的复合物性能的可控性及重复性。

因此，本发明提出采用将磁性材料引入弹性基体中，利用磁场对导电相排列进行控制，在所需方向实现有效利用，从而实现超低渗流阈值，保存基体弹性的同时实现高电导率，得到导电复合物。

发明内容

本发明的目的在于针对现有压阻传感器容易开裂的问题，提供一种磁场调控的导电复合物及其制备方法。