柔性材料的案例
清華大學張瑩瑩AM: 一篇綜述帶你領略柔性可穿戴電子器件中碳材料的風采
基于碳材料的柔性可穿戴應變傳感器的制備、原理與性能
碳納米管和石墨烯在可穿戴應變傳感器中的應用（左），其他碳材料在可穿戴式應變傳感器中的應用（右）。
圖2. 基于碳材料的可穿戴壓力傳感器的設計、制備及性能
碳材料在柔性壓力傳感器中的應用。
圖3. 柔性可穿戴應變/壓力傳感器的應用展示
基于碳材料的柔性可穿戴應變/壓力傳感器在人類活動監測、電子皮膚和人機交互中的應用。
（二）碳材料在柔性可穿戴溫/濕度傳感器的應用
圖4. 基于碳材料的柔性溫度傳感器的設計、制備及性能
圖5. 基于碳材料的柔性濕度傳感器的設計、制備及性能
碳材料在柔性濕度傳感器中的應用。
（三）碳材料在柔性可穿戴電化學傳感器的應用
圖6. 基于碳材料的柔性電化學傳感器的設計及性能
基于碳材料的柔性可穿戴電化學傳感器，用于健康相關的化學組分的無創監測。
圖7. 基于碳材料的可拉伸/自愈合柔性電化學傳感器的設計
碳材料在可拉伸/自愈合電化學傳感器中的應用。
（四）基于碳材料的柔性導電電極/導線，用于可穿戴醫療系統
圖8.碳納米管基柔性導電電極用于電生理信號檢測
圖9. 石墨烯基柔性導電電極用于電生理信號檢測
圖10.
展開 中科院金屬所Nature Materials：高性能柔性層狀結構的熱電材料
【引言】
隨著柔性電子器件的發展以及對可持續和多用途能源需求的不斷增長，柔性電子器件由于可以直接將廢舊的熱能轉換為有用的電能，因此已經引起各國研究人員的極大關注。與傳統的脆性和剛性熱電器件相比，柔性電子器件具有一些無可替代的優點。要獲得熱源表面和任意形狀之間的緊密接觸，良好的柔性是必不可少的；無支撐薄膜熱電材料由于可以容易地轉移到任何襯底上，通過減少熱能損失而顯著提高效率，通常是獲得最優器件配置的首選材料。
無機硫屬化合物（如Bi2Te3）是一種傳統的熱電材料，其可在寬的運行溫度下實現最優異的性能，但這種材料的脆性和剛性限制了它們在柔性熱電領域的應用。聚合物熱電材料雖然具有柔性好、重量輕以及易加工等優點，但由于其熱穩定性差、效率低以及接觸電阻高等缺點，因此嚴重阻礙其在熱電材料中的應用。碳納米管（CNTs）具有獨特的電、熱性能和優異的柔韌性，理論預測和實驗都表明CNTs是一種極具前景的柔性熱電材料。由于CNTs基復合材料中的碳納米管分布不均、弱的界面相互作用、雜質較多以及結構混亂等缺點，因而這種材料的熱電性能遠低于最新的無機硫屬化合物。因此，設計和制備具有優異綜合性能的柔性熱電材料仍然是一個巨大的挑戰。
【成果簡介】
近日，中科院金屬所邰凱平研究員、劉暢研究員和中科院近代物理所高寧研究員（共同通訊作者）等人合作利用磁控濺射技術在CNT支架上組裝層狀結構的Bi2Te3用于制造柔性熱電器件。該材料的功率因數在室溫下為~1600 μWm-1K-2，而在溫度為473 K時下降為1100 μWm-1K-2。其平面晶格熱導率為0.26±0.03 Wm-1K-1，室溫下最高的熱電品質因數可達0.89，這種性能主要來源于一種強的聲子散射效應。
展開 一種用于可穿戴和個人熱管理的柔性熱電材料
一種是利用內在柔性熱電(TE)材料來制造f- TEDs。雖然它們具有優越的內在柔韌性，但由于柔性TE材料的熱電性能較低，使得它們無法通過收集人體熱量來驅動可穿戴設備。另一種方法是通過蛇形金屬線、銀納米線或液態金屬等柔性電極連接高熱電性能材料和TE材料，然后用柔性彈性體封裝。雖然這些工作已經實現了相當大的可以驅動可穿戴設備的身體熱發電，但大多數還沒有實現對人體等任意幾何形狀的有效主動冷卻。因此，開發一種能夠同時實現高性能的身體熱發電和主動冷卻的可穿戴TED對于個人熱管理具有重要意義。
02
成果掠影
柔性熱電器件(f- TEDs)可實現熱與電的直接能量轉換，在可穿戴柔性材料和個人熱管理方面具有廣闊的應用前景。然而，傳統的由本質柔性熱電材料制成的f- TEDs功率密度較低，而基于彈性體密封體熱電材料的f- TEDs難以實現主動冷卻。此外，這些f- TEDs通常不能自愈和回收，在可穿戴應用中容易發生斷裂。基于這些問題，鄭州大學毛彥超教授聯合河南農業大學理學院王亞玲副教授在柔性熱電器件取得新的進展。該團隊通過將動態共價熱固性聚亞胺與液態金屬和熱電器件集成在一起，開發了一種自修復和可回收的f- TED。該f- TED在標準化功率密度為1.54 μW/(cm
2?k
2)的時候，在7 ℃溫差下，可以提供創紀錄的13.8 ℃對個人冷卻效果，具有3.91的優異的性能系數(COP)，并且具有低功耗的特點。在f-TED的基礎上，進一步開發了一種個人熱管理系統，可以使身體在不同的環境溫度下保持在舒適的范圍內，并實現對發熱或扭傷踝關節的醫療保健功能。與傳統熱電器件相比，該f-TED可同時實現自愈性、可回收性、靈活性、標準化功率密度大、低功耗、高體表冷卻效果。
展開 青島能源所開發出新型二維柔性電極材料
圖：氟取代石墨炔在柔性電池中的應用
如圖所示，通過氟取代，使得石墨炔分子孔道擴大，在AB堆積下也具有優良的離子傳輸通道；同時，保留了石墨炔的基本框架和二維平面結構中的共軛體系，使其材料具有優異的導電性和載流子傳輸特性；尤其是碳氟鍵具有優良的循環儲鋰能力，不僅增加了材料的儲鋰位點，同時碳氟鍵與電解液具有很好的相容性，可以大大降低界面阻抗，從而提高循環穩定性。該項研究結果為溶液法制備大面積性能優異的柔性電極材料提供了研究思路，開創了新型儲能器件電極材料研究的一個新方向。
該研究獲得了國家自然科學基金、中科院前沿重點研究項目、山東省自然科學基金杰出青年基金的支持。（來源：青島能源所）
展開 
馬里蘭大學王育煌SMALL：無損溶解超長金屬性碳納米管，助力高性能柔性電子材料
3.2微米長碳納米管在0% （e），50%（f），100%（g）以及回到0%（h）應力后的SEM圖像
圖5 長短兩種碳管可用于不同應用
(a)柔性可穿戴設備示意圖
(b)隨著手指彎曲-伸展運動，長碳納米管和短碳納米管薄膜的電流變化
長碳納米管薄膜導電性不受手指運動的影響，因此可以提供穩定電流輸出(c,e)；短碳納米管薄膜則表現出明顯電流表化，因此可以應用于應力傳感器(d,f)。
【小結】
此研究制備的超長金屬性碳納米管水溶液，可應用于柔性透明電子材料中。由于碳納米管長度的增加，其所制備薄膜的宏觀導電性以及可拉伸穩定性均有顯著提高，從而可以提升柔性電子材料性能與壽命。本工作不僅為展示了一種溶解超長碳納米管的方法，改變了依賴于超聲溶解納米碳材料的歷史，同時為今后的柔性電子設備的材料選擇提供了清晰的思路。
論文連接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/smll.201802625。
展開 用于電池熱管理的具有增強電絕緣性的寬溫域柔性相變材料
熱致柔性復合相變材料（CPCM）近年來在電池熱管理（BTM）領域得到廣泛應用，但其窄溫域和低電阻率不利于保障電池熱安全。
02
成果掠影
近期，河北工業大學孔祥飛教授團隊以石蠟（PA）作為相變材料，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）作為柔性支撐材料，氮化鋁（ALN）作為主要電絕緣材料，膨脹石墨（EG）作為主要導熱增強材料，成功制備出具有增強的電絕緣性能和寬溫域（25℃至60℃）的新型熱致柔性復合相變材料。ALN的添加不僅提高了CPCM的體積電阻率，還有助于材料的循環穩定性。實驗表明，最高溫度和最大溫差可分別控制在47℃和5℃以內，比自然冷卻電池低15.94℃和4.93℃。導熱系數和熱焓分別對保證溫度均勻性和最高溫度起決定性作用，這為CPCM的制備目標提供了指導。相關研究成果以“Wide-temperature flexible phase change materials with enhanced electrical insulation for battery thermal management”為題發表于《Journal of Energy Storage》。
03
圖文導讀
圖1 復合材料的制備工藝。
圖2 (a)測試平臺原理圖；(b)熱電偶設置位置；(c)高精度電池測試系統的設置。
圖3 在SBS：PA = 3：7下加入不同質量EG的泄漏試驗結果。
圖4 CPCMs隨時間推移的泄漏率。
展開 清華蹇木強Science China Materials綜述：碳材料基柔性可穿戴傳感器
【引言】
柔性傳感器被定義為將物理或環境刺激轉換成可探測信號的柔性設備。近年來，柔性傳感器由于其在可穿戴電子和智能系統中的巨大潛在應用而受到越來越多的關注。柔性傳感器可以安裝在人體或衣服上，用于連續監測微小和大型人體運動和生理信息，例如發聲、脈沖、心電圖、呼吸、皮膚溫度等等。這些應用要求可穿戴傳感器具有靈敏度高、柔韌性好、拉伸性能好、生物相容性好、穩定性好等基本特性。
選擇合適的活性材料在控制傳感器的性能方面起著重要的作用。到目前為止，各種材料，包括碳納米管（CNTs），石墨烯，碳黑，導電聚合物，金屬，納米粒子(NPs)和納米線、半導體已被用作柔性傳感器的活性成分。在這些材料中，金屬NP可以用來制造具有高靈敏度的柔性傳感器，但是這些傳感器的傳感范圍和伸縮性是有限的。此外，由于金屬納米線的化學穩定性和重現性有限，利用金屬納米線制備穩定的傳感器具有挑戰性。同樣，穩定性和導電性差的導電聚合物也難以用于制造高性能傳感器。相比之下，碳材料是最常被研究的材料之一，特別是具有顯著的力學、電學和熱性能的碳納米管和石墨烯（包括氧化石墨烯（GO）和還原氧化石墨烯（rGO））。
為了實現宏觀應用，在微觀層面上具有優異性能的碳納米管和石墨烯應轉化為宏觀功能組件，如一維（1D）纖維或紗線、二維（2D）薄膜或片材、三維（3D）構架。多尺度的宏觀碳納米材料賦予柔性傳感器高靈敏度、優異的靈活性和良好的穩定性以及期望的結構。此外，低成本的碳材料，包括炭黑和納米碳纖維，可以用作與彈性材料或織物集成的導電填料，這是制造柔性傳感器的一種簡單、低成本和大規模的方法。除了碳納米材料之外，其他碳材料也通過生物材料衍生出來。
展開 微孔和柔性的MOF聲學超材料
這是基于MOF的低頻聲學超材料的第一次報道。
在這篇文章里，作者Quin R. S. Miller等選用具有不同結構和成分的微孔和柔性MOF材料，包括FeBTC (Basolite F300)、HKUST-1 (Basolite C300)、Ni-MOF74和MIL-53(Al) (Basolite A100)，將原樣或合成的MOF樣品壓制成直徑為100mm的圓盤，并使用阻抗管對“圓盤”進行聲學實驗。最終證明了FeBTC、HKUST-1和柔性的MIL-53 (Al) 可以作為吸收性聲學超材料。
阻抗管設置示意圖
這種輕質且可分散的超材料具有許多應用前景，可用作具有優異聲音吸附功能的建筑材料的添加劑，或者集成到鉆孔水泥中實現對水泥穩定性和井眼完整性的無創監測，等等。進一步的研究可能包括，確定更多可以用于聲學領域的MOF材料，并設計基于混合MOF的聲學響應材料。
文章鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b19249
DOI: 10.1021/acsami.8b19249
來源：材料前沿科技微信公眾號（ID：clqykj）
展開 大連化物所史全研究員團隊CEJ：研發出柔性復合相變材料膜并應用于可穿戴光-熱管理器件
近日，中科院大連化物所熱化學研究組（DNL1903）史全研究員團隊在柔性相變材料研究方面取得新進展，通過簡單易行的策略合成了石墨烯基的復合相變材料膜，并將其應用于可穿戴的光-熱管理器件。該復合相變材料膜具有優異的柔韌性、儲熱能力、光熱轉化能力，為智能可穿戴光-熱管理器件的研究提供了新思路。
相變儲能材料能夠在相對恒定的溫度下吸收和釋放大量相變潛熱，目前廣泛應用于熱能儲存和溫度控制的熱管理領域。然而，傳統相變材料本身固有的液態泄漏、弱吸光能力以及固態剛性使其在可穿戴的智能光-熱轉化器件研究中極具挑戰性。
針對該問題，史全研究員團隊以聚合物和石墨烯為原料合成了具有優異柔韌性的復合石墨烯膜，并將相變材料復合其中得到柔性的復合相變材料膜。該復合相變材料膜具有優秀的形狀穩定性，即使在高于相變溫度時仍然保持固態而不發生泄漏；同時，該復合相變材料膜具有高相變材料負載量，表現出優異的儲熱能力，即使經過500個熱循環和彎曲循環仍然保持穩定；此外，該復合相變材料膜具有出色的光-熱轉化能力，可迅速將太陽能轉化為熱能儲存，轉化效率最高可達96%。研究人員進一步將該復合相變材料膜貼到人體模型表面，結果表明在彎曲狀態其仍然表現出穩定的光-熱轉化性能。該復合相變材料膜表現出可應用于人體可穿戴光-熱管理領域的潛力，為可穿戴智能織物的開發提供了新的方向。
展開 哈工大《MSEA》：金屬基復合材料的柔性強化新方法！
圖6 擠壓前后CP/Al復合材料屈服強度的擬合曲線
圖7 雙相鋼屈服強度與馬氏體、鐵素體屈服強度的關系
對于利用剛性增強體制備的復合材料，增強體極高的強度導致復合材料RYSR值非常高，導致實際屈服強度遠低于ROM預測。然而，鐵素體/馬氏體雙相鋼和CP/Al復合材料的屈服強度接近甚至高于ROM預測，這是由于增強體相對較低的強度和可變形性。因此，建議使用可變形的增強材料，如金屬顆粒、高熵合金或復合材料顆粒等，在保證良好界面結合的情況下，可以制備出具有高于ROM預測屈服強度和良好塑性的復合材料。
圖8 傳統陶瓷顆粒增強Al基復合材料、鐵素體/馬氏體雙相鋼和CP/Al復合材料的屈服強度與混合定律預測值的比值以及與其對應的RYSR之間的關系
總的來說，本研究采用SiCp/Al復合材料顆粒制備復合材料，實現了增強體和基體的協調變形；并給出了預測這種柔性強化復合材料力學性能的半經驗公式。這項工作對“柔性”強化復合材料的開發具有一定的指導意義，并對顆粒增強復合材料的回收提供了一種有效方法。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。歡迎轉載請聯系，未經許可謝絕轉載至其他網站。
展開 郭傳飛、任志鋒《先進功能材料》綜述: 柔性電子學—可拉伸電極及其未來
近日，南方科技大學材料系郭傳飛副教授和美國休斯敦大學物理系任志鋒教授（共同通訊作者）在《先進功能材料》在線刊登了題為“Flexible Electronics: Stretchable Electrodes and Their Future”的綜述。南方科技大學前沿與交叉科學研究院黃思雅副研究員和休斯頓大學劉嫄博士為本文第一作者。文章從結構設計的角度介紹了基于剪紙藝術設計策略的新型可拉伸透明電極材料的最新研究進展及應用，涵蓋了電子皮膚、植入式可降解電子材料以及仿生軟體機器人等領域。
柔性電子學作為一種新興的具有廣闊應用前景的研究科學，將研制可在高應力狀態下工作的高性能柔性電子材料帶入了人們的視野。透明電極被廣泛應用于各類電子產品中。最常見的透明電極材料是摻雜的氧化物半導體薄膜（如氧化銦錫，ITO），其良好的光學透光率和導電性使其在光電子顯示領域占據了數十年的主導地位。然而，傳統的ITO薄膜無法滿足未來可穿戴柔性電子產品對力學柔性要求。應用于彈性體襯底上的透明柔性電極（FTEs）在使用過程中需要承受彎曲、折疊、扭曲，甚至拉伸等大應變形變模式，對材料的力學性能提出了更高的要求。
近年來，可拉伸電極的研究發展推動了可穿戴電子產品、電子皮膚、可植入醫療電子設備、軟體機器人、以及新型柔性人機界面等領域的興起。這些具有良好力學柔性和生物相容性的電子產品在人體健康監測和生物醫療領域中發揮著越來越重要的作用，并將極大改善現有的醫療健康體系并徹底改變人類與電子產品之間的關系。研究人員研制報道的各類仿生軟體機器人具有類似皮膚的柔性傳感功能和類似肌肉組織的軟體驅動器，可通過柔性人機界面與人類和周圍環境進行友好的實時互動，從而實現完整的“人-機”互動反饋體系（圖1）。
展開 
一種用于電子器件熱管理的柔性相變材料
因此，開發提高散熱效率的熱管理材料具有重要的意義。
相變材料(Phase change materials, PCMs)作為一種高效的熱管理材料，可以通過固-液相變過程吸收和釋放熱量。然而，PCMs存在漏液、導熱系數低、剛性強等固有缺陷，嚴重制約了其進一步的實際應用。大多數PCMs都表現出脆性和易碎性。當用作散熱器和加熱元件之間的熱界面材料(TIMs)時，這種現象會產生不可忽略的熱阻，從而對電子器件的熱管理效率產生不利影響。
柔性PCMs被認為是與物體接觸且能夠承受某些變形(例如，彎曲，拉伸和壓縮)的材料。雖然目前的PCMs具有優異的形狀穩定性和柔韌性，但由于難以加入導熱填料，其導熱性仍然有限。因此，當PCMs用作TIMs時，對靈活性和增強導熱性的要求仍然具有挑戰性。
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成果掠影
近期，西南交通大學王勇和祁曉東團隊針對開發用于電子器件熱管理的柔性導熱相變材料取得最新進展。本文制備了聚二甲基硅氧烷/石蠟/氮化硼(PDMS/PW/BN)相變復合材料。首先通過刮削獲得BN沿平面(x-y方向)的排列，然后通過熱壓縮和滾切誘導BN沿平面(z方向)排列。因此，PW被交聯的PDMS/BN網絡包裹，從而形成與天然木材相似的年輪結構。年輪結構有效地避免了PW的液體泄漏，從而顯示出高達98%的高尺寸保留率。BN網絡的垂直取向使PCM在BN負載為13.0 wt%時的通平面導熱系數提高到2.16 W/mK，與PDMS/PW相比，顯著提高了943%。通過觸發PW的熔融結晶轉變，pcm表現出可調諧的導熱性。原位x射線衍射表明，BN網絡重排發生在相變過程中。在實際工作芯片上和有限元仿真中，驗證了PCMs具有良好的熱管理能力。
展開 高絕緣-鐵電復合微粒顯著提高柔性聚合物復合材料的靜電儲能性能
近日，中國科學院深圳先進技術研究院先進材料科學與工程研究所（籌）在電介質儲能材料領域獲得新進展。該研究通過對填料粒子的設計，將具有高介電常數的鈦酸鋇粒子與具有高擊穿強度、高熱導率的氮化硼納米片進行結合，形成特殊結構的復合粒子，與聚合物復合后可顯著提高復合材料的擊穿強度和介電儲能性能。相關論文以Significantly Enhanced Electrostatic Energy Storage Performance of Flexible Polymer Composites by Introducing Highly Insulating-Ferroelectric Microhybrids as Fillers（高絕緣-鐵電復合微粒顯著提高柔性聚合物復合材料的靜電儲能性能）為題發表在權威刊物Advanced Energy Materials（《先進能源材料》，2018, 1803204，IF=21.875）。羅遂斌高級工程師為第一作者，于淑會研究員和孫蓉研究員為通訊作者。
圖(a) BT@BN復合顆粒的制備流程示意圖；(b) BT@BN復合顆粒TEM照片；(c) 復合材料擊穿強度。
電介質儲能技術具有異常快的能量轉換速率，同時具有工作時間長以及環境友好等特點，目前已經在現代電子電力工業如可穿戴電子、混合動力汽車、武器系統等領域得到廣泛應用。隨著電子器件向小型化和高性能化方向的發展，迫切需要具有高儲能密度的電介質材料。
為此，研究團隊將氮化硼納米片（BNNS）與鈦酸鋇（BT）納米顆粒的分散液進行混合和抽濾后，在較高溫度下處理，一定程度上熔融的BNNS將BT顆粒緊密包覆，形成復合顆粒BT@BN。
展開 上海交大超柔性納米發電復合材料
在所制備的壓電纖維布復合材料中，每根纖維表面都包裹了一層納米級厚度的PZT材料，每根纖維之間的PZT之間互相連接，形成了一種類似于玻璃纖維布的多層次結構。電子級玻璃纖維布本身所具有的宏觀超柔性和微觀剛性給予了這種壓電纖維布具有高效的能量傳遞、轉換以及超柔性。而且這種壓電纖維布可以實現插指電極掩膜設計和上下柔性電極貼合封裝設計。比如，一塊3.5cm×1.5cm大小的納米壓電纖維布利用插指電極在標準測試下能夠產生～60 V和～500 nA的輸出。一個8cm×8cm大小的納米壓電纖維布利用超柔性的導電聚乙烯碳膜作為上下電極在模擬人體運動的情況下能夠輕易點亮20個商用綠色LED燈。
同時，利用玻璃纖維布的微觀剛性，首次發現壓電納米發電機的形變與信號輸出之間呈線性關系，可望在柔性傳感領域獲得重要應用。另外在這種多層級結構的玻璃纖維布基底上沉積寬光譜吸收高壓電活性壓電材料還有望能夠同時收集光能、熱能和機械能。這項工作為制造高性能，超柔性，低成本的納米發電機及柔性傳感器提供了新的視角，可望在柔性可穿戴設備領域獲得應用。
論文共同第一作者為上海交通大學的碩士研究生賀思博和英國華威大學的董文博士后研究員，郭益平教授為論文的通訊作者，上海交通大學為第一單位完成。郭益平教授所帶領的智能與能源復合材料研究小組長期致力于鐵電/壓電功能復合材料，能源及催化材料的基礎和應用研究，研究工作得到了國家自然科學基金重點項目和面上項目（11474199和51332009）的資助。
來源：材料科學與工程公眾號、上海交大
展開 一種用于可穿戴熱管理的導熱柔性復合材料
熱管理解決方案可用于下一代柔性電子產品。研究成果以“Flexible and Printable Composite Ink for
Thermal Management of Soft Electronics”為題發表在《Advanced Functional Materials》。
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圖文導讀
圖1. EGaIn納米顆粒裝飾銀片/PVB柔性熱管理復合材料的制備工藝示意圖。
圖2. 復合材料的EDS以及結構分析。
圖3. 復合材料的導熱系數測試。
圖4.復合材料的歸一化的導熱和電阻循環測試。
圖5.復合材料與商用導熱膏的熱管理性能對比。
圖5.復合材料的在LED中的應用示意圖。
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