本發(fā)明涉及可拉神電子學(xué)領(lǐng)域，更確切的講，涉及一種多層導(dǎo)電彈性復(fù)合材料。

背景技術(shù)：

近年來，柔性導(dǎo)電材料的發(fā)展受到越來越多的關(guān)注。具有大形變和電阻穩(wěn)定的導(dǎo)電彈性材料，是開發(fā)高性能可拉伸電路和電子器件的關(guān)鍵。然而，大的拉伸形變和保持電阻穩(wěn)定，是兩個相互矛盾和對立的因素。剛性材料通常具有優(yōu)異和穩(wěn)定的電學(xué)性能，但是可拉伸性能差；軟性材料可拉伸性能良好，但是一般來講電學(xué)性能極差。

目前可拉伸導(dǎo)電彈性體的制備方法是將納米導(dǎo)電材料與彈性體進(jìn)行混合，或?qū)?dǎo)電材料層貼在彈性體表面。在拉伸過程中，導(dǎo)電材料結(jié)構(gòu)變化顯著，導(dǎo)致電阻顯著增加，且拉伸應(yīng)變范圍很小。因此，開發(fā)出具有高電阻穩(wěn)定性、高拉伸應(yīng)變的導(dǎo)電彈性體是可拉伸電子學(xué)理論研究與器件應(yīng)用中的迫切需要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種多層導(dǎo)電彈性復(fù)合材料的構(gòu)建思路和制備方法。該復(fù)合材料同時具有良好的可拉伸性和導(dǎo)電性，單向拉伸400%的情況下電阻變化小于2%。

上述多層導(dǎo)電彈性復(fù)合材料的構(gòu)建，其構(gòu)成包含電介質(zhì)層和導(dǎo)電層，制備方法為導(dǎo)電層和電介質(zhì)在基底上交替鋪疊組成。為保證復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性，優(yōu)選的層數(shù)為50-500層。層數(shù)太少，可能導(dǎo)致該復(fù)合材料導(dǎo)電性能差；層數(shù)太多，制作復(fù)雜且上層導(dǎo)電層回縮性能變差，影響整個復(fù)合材料的均勻性。

本發(fā)明所述的多層導(dǎo)電彈性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖見說明書附圖1，為電介質(zhì)與導(dǎo)電層交替鋪疊而成；制備過程請參考說明書附圖2，詳情請見具體實施方式中的實施例說明。

所述電介質(zhì)層由白油與超軟橡膠以一定比例混合制成，熱熔后經(jīng)空氣噴涂泵噴涂生成。使用此方法制作的彈性層具有極好的可拉伸性能，最高拉伸系數(shù)可達(dá)10倍以上，是目前橡膠材質(zhì)中拉伸倍數(shù)最長的材料之一，為多層導(dǎo)電彈性復(fù)合材料實現(xiàn)超大形變奠定了基礎(chǔ)，同時也為復(fù)合材料的電極層（碳納米管）提供了附著基底。

所述導(dǎo)電層采用單臂碳納米管或者多壁碳納米管，碳納米管本身具有優(yōu)異的力學(xué)性能以及輕的質(zhì)量，使得該彈性導(dǎo)電復(fù)合材料具有強(qiáng)韌的結(jié)構(gòu)。

所述多層導(dǎo)電彈性復(fù)合材料采用“表面覆蓋”方法，將高取向碳納米管薄膜均勻覆蓋在大形變預(yù)拉伸的彈性層表面，碳納米管取向平行于彈性層拉伸方向，形成層疊構(gòu)造；釋放該層疊結(jié)構(gòu)，預(yù)拉的伸彈性纖維壓縮碳納米管薄膜，形成多級褶皺結(jié)構(gòu)，參考說明書附圖1收縮狀態(tài)下示意圖，再加上碳納米管優(yōu)良的力學(xué)性能，具有可反復(fù)拉伸、可反復(fù)扭曲、可反復(fù)折彎不易損壞的特點。

目前彈性導(dǎo)電體應(yīng)變范圍只有30%左右，本發(fā)明所提供的多層導(dǎo)電彈性復(fù)合材料應(yīng)變范圍可達(dá)到400%，而且電阻在拉伸過程中變化率小于2%，而且反復(fù)使用2000次以上，性能衰減仍小于5%，真正實現(xiàn)超大形變且性能穩(wěn)定的導(dǎo)電彈性復(fù)合材料。

附圖說明

圖1，多層導(dǎo)電彈性復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖，（1）為拉伸狀態(tài)下，（2）為收縮狀態(tài)下。

圖2，多層導(dǎo)電彈性復(fù)合材料的制備過程示意圖。

圖3，相同厚度不同層數(shù)下單位長度的復(fù)合材料電阻與拉伸長度的關(guān)系。

圖4，相同層數(shù)不同厚度的樣品截面掃描電鏡圖，層數(shù)為100層，其中圖a、b、c、d對應(yīng)的內(nèi)層厚度分別為5微米、8微米、20微米、36微米。

圖5，導(dǎo)電彈性復(fù)合材料彎曲、扭轉(zhuǎn)、按壓過程中電阻變化曲線圖，其中圖a為彎曲情況下電阻變化曲線，橫坐標(biāo)為彎曲直徑；圖b為旋轉(zhuǎn)扭曲情況下電阻變化曲線，橫坐標(biāo)為單位厘米扭曲圈數(shù)；圖c為按壓過程中電阻變化曲線，橫坐標(biāo)為按壓時符合材料應(yīng)變幅度。

圖6，對導(dǎo)電彈性復(fù)合材料反復(fù)拉伸、彎曲1000次之后，再次測量彎曲、扭轉(zhuǎn)、按壓過程中電阻變化曲線圖，其中圖a為彎曲情況下電阻變化曲線，橫坐標(biāo)為彎曲直徑；圖b為旋轉(zhuǎn)扭曲情況下電阻變化曲線，橫坐標(biāo)為單位厘米扭曲圈數(shù)；圖c為按壓過程中電阻變化曲線，橫坐標(biāo)為按壓時符合材料應(yīng)變幅度。

圖7，a相同層數(shù)不同厚度單位長度電阻與拉伸長度變化曲線圖；b相同層數(shù)不同厚度電阻與拉伸長度變化曲線圖；c電導(dǎo)率與內(nèi)層橡膠厚度變化曲線圖。

圖8，實施例最終得到的樣品實物圖。

具體實施方式

下面參照說明書附圖2對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明所述多層導(dǎo)電彈性復(fù)合材料由導(dǎo)電層和電介質(zhì)層在基底上交替鋪疊組成。詳細(xì)步驟如下：

（1）基底的選?。合抻谔技{米管彈性遠(yuǎn)不如橡膠，如果選用回彈性能差的橡膠作為基底，隨著鋪設(shè)碳管層數(shù)的增大，制備的導(dǎo)電彈性體拉伸倍數(shù)就會減小。為解決此問題，保證導(dǎo)電彈性體拉伸倍數(shù)基本不變，這里我們選擇回彈性能較好的硬橡膠作為片狀基底，基底大?。洪L50mm,寬10mm。

（2）導(dǎo)電層的制備：將步驟1中的基底根據(jù)所需拉伸率拉伸至原長的1-5倍，本實施例選取最大倍數(shù)5倍。原始長寬分別為50mm和10mm，拉伸后的長為250mm，寬為7mm。接著鋪一層碳納米管作為導(dǎo)電層，碳納米管長為85mm，寬為6mm，碳管層數(shù)根據(jù)所需制備導(dǎo)電彈性體的層數(shù)而定。鋪設(shè)完畢之后，在碳納米管上滴少量乙醇，使碳納米管全部浸潤，可達(dá)到碳納米管與基底緊密貼合的作用。所述的碳納米管軸向全部平行于基底軸向方向排列。待乙醇揮發(fā)后將基底縮回至原始狀態(tài)。

（3）電介質(zhì)的制備：待步驟2中的基底恢復(fù)至原始狀態(tài)，再在上面噴涂橡膠溶液作為電介質(zhì)，所述橡膠溶液由超軟彈性芯以一定的比例溶解于有機(jī)溶劑中獲得，本實施例采用超軟彈性芯溶于環(huán)己烷中所得，溶解比例一般為1：15-1：30（質(zhì)量體積比），本實施例中采用1：23（g：ml），其主要作用是將相鄰的碳納米管隔離開，以制得所需層數(shù)的導(dǎo)電彈性體。橡膠溶液的噴涂厚度可人為控制，相同層數(shù)下，可通過控制噴涂時間，制得所需厚度的導(dǎo)電彈性體。本實施例中選用100層，5微米,8微米,20微米,36微米四個不同內(nèi)層厚度。由于不可避免誤差，噴涂厚度太薄容易導(dǎo)致樣品太薄，不容易從基底上脫離；而噴涂太厚會形成較大褶皺，在拉伸過程中容易導(dǎo)致上層碳管斷裂，影響導(dǎo)電彈性體的穩(wěn)定性，影響其使用范圍。噴涂過程可人工操作，也可機(jī)械噴涂。

（4）根據(jù)所需層數(shù)，重復(fù)步驟2、3。

（5）待步驟4完成以后，將樣品從基底上揭掉，從而得到穩(wěn)定的多層導(dǎo)電彈性復(fù)合材料，參考說明書附圖8。

針對以上實施步驟解釋如下：

所述多層導(dǎo)電彈性復(fù)合材料由碳納米管和橡膠構(gòu)成的，此處的碳納米管可以為單壁碳納米管，亦可以為雙壁或者多壁碳納米管，層數(shù)數(shù)值越大，導(dǎo)電性能越好。請參考說明書附圖3相同厚度不同層數(shù)下，復(fù)合材料的單位長度電阻與拉伸長度的關(guān)系。

制備的多層導(dǎo)電彈性復(fù)合材料，由拉伸狀態(tài)釋放為自然狀態(tài)時，碳納米管層在橫向會形成周期褶皺，該周期褶皺確保了所述彈性體在大幅拉伸收縮時維持電阻的穩(wěn)定。請參考附圖4相同層數(shù)不同厚度的樣品截面掃描電鏡圖。

上述步驟（2）所述導(dǎo)電彈性復(fù)合材料碳納米管導(dǎo)電層的鋪設(shè)方法如下：碳納米管層由一碳納米管陣列制備得到，該碳納米管陣列需基本沿同一方向取向排列。首先，根據(jù)所需寬度采用一定寬度的膠帶或者刀片自碳納米管陣列中選取多個碳納米管一致往外拉伸，以一定的速度沿實際上垂直于碳管陣列生長方向拉伸碳納米管，所述的多個碳納米管在拉力作用下沿拉伸方向逐漸脫離碳納米管陣列的基底，并在范德瓦爾力的作用下，使選定的多個碳納米管分別與其它相鄰的碳納米管首尾相連，連續(xù)拉出，根據(jù)所需長度，制備相應(yīng)長度的取膜框并取膜，取下膜后，將其平行于基底方向均勻鋪設(shè)于基底和電介質(zhì)之上。

步驟（3）中不同厚度電介質(zhì)層的制備方法如下：電介質(zhì)由橡膠溶液經(jīng)空氣噴涂泵噴涂得到，噴涂過程需保持噴槍垂直于基底方向，左右恒速移動噴槍，使橡膠溶液均勻的落在基底上。調(diào)節(jié)空氣泵壓力以及噴槍與基底距離到一固定值（一般情況下，壓力范圍大概為30-40psi，噴槍與基底距離大概為10-20cm，本實施例中選擇壓力為30psi，距離為15cm），通過控制噴涂時間，得到所需厚度的電介質(zhì)層。

步驟（5）所述將樣品從基底上脫離的方法如下：使樣品一端輕輕從基底上脫離一小段距離，沿此部分斜向上輕拉樣品，使樣品完全從基底上脫離。此過程可人工操作，亦可機(jī)械操作，并且拉樣品時速度不可過快，一定要緩慢進(jìn)行，防止破壞樣品。

所述的多層導(dǎo)電彈性復(fù)合材料，能夠保持穩(wěn)定的導(dǎo)電性能和機(jī)械性能，在彎曲，扭轉(zhuǎn)，按壓過程中，依舊保持電阻值的穩(wěn)定，電阻變化不超過0.5%（參照附圖5）。經(jīng)過1000次反復(fù)拉伸和彎曲后，性能衰減小于1%（參照附圖6）。當(dāng)內(nèi)層橡膠厚度從5微米增加到36微米時，在不拉伸情況下，單位長度電阻從31.7歐/cm增加到41.7歐/cm；同時可拉伸的最大長度基本保持不變，僅僅從5倍變到了4.6倍（參照附圖7a）。此外不同內(nèi)層橡膠厚度的樣品在拉伸過程中電阻變化小于1.5%（參照附圖7b）。同時隨著內(nèi)層厚度的減小，電導(dǎo)率增加了29倍，從1s/m增加到了29s/m（參照附圖7c）。因此，通過控制內(nèi)層橡膠的厚度可以很方便的得到所需電導(dǎo)率的多層導(dǎo)電彈性復(fù)合材料。

另外，相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員還可以依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案做其它變化，依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案所做的變化，都應(yīng)包含在本技術(shù)方案所保護(hù)的范圍之內(nèi)。