多层导电弹性复合材料的制作方法

本发明涉及可拉神电子学领域，更确切的讲，涉及一种多层导电弹性复合材料。

背景技术：

近年来，柔性导电材料的发展受到越来越多的关注。具有大形变和电阻稳定的导电弹性材料，是开发高性能可拉伸电路和电子器件的关键。然而，大的拉伸形变和保持电阻稳定，是两个相互矛盾和对立的因素。刚性材料通常具有优异和稳定的电学性能，但是可拉伸性能差；软性材料可拉伸性能良好，但是一般来讲电学性能极差。

目前可拉伸导电弹性体的制备方法是将纳米导电材料与弹性体进行混合，或将导电材料层贴在弹性体表面。在拉伸过程中，导电材料结构变化显著，导致电阻显著增加，且拉伸应变范围很小。因此，开发出具有高电阻稳定性、高拉伸应变的导电弹性体是可拉伸电子学理论研究与器件应用中的迫切需要。

技术实现要素：

本发明提供一种多层导电弹性复合材料的构建思路和制备方法。该复合材料同时具有良好的可拉伸性和导电性，单向拉伸400%的情况下电阻变化小于2%。

上述多层导电弹性复合材料的构建，其构成包含电介质层和导电层，制备方法为导电层和电介质在基底上交替铺叠组成。为保证复合材料的机械强度和导电性，优选的层数为50-500层。层数太少，可能导致该复合材料导电性能差；层数太多，制作复杂且上层导电层回缩性能变差，影响整个复合材料的均匀性。

本发明所述的多层导电弹性复合材料结构示意图见说明书附图1，为电介质与导电层交替铺叠而成；制备过程请参考说明书附图2，详情请见具体实施方式中的实施例说明。

所述电介质层由白油与超软橡胶以一定比例混合制成，热熔后经空气喷涂泵喷涂生成。使用此方法制作的弹性层具有极好的可拉伸性能，最高拉伸系数可达10倍以上，是目前橡胶材质中拉伸倍数最长的材料之一，为多层导电弹性复合材料实现超大形变奠定了基础，同时也为复合材料的电极层（碳纳米管）提供了附着基底。

所述导电层采用单臂碳纳米管或者多壁碳纳米管，碳纳米管本身具有优异的力学性能以及轻的质量，使得该弹性导电复合材料具有强韧的结构。

所述多层导电弹性复合材料采用“表面覆盖”方法，将高取向碳纳米管薄膜均匀覆盖在大形变预拉伸的弹性层表面，碳纳米管取向平行于弹性层拉伸方向，形成层叠构造；释放该层叠结构，预拉的伸弹性纤维压缩碳纳米管薄膜，形成多级褶皱结构，参考说明书附图1收缩状态下示意图，再加上碳纳米管优良的力学性能，具有可反复拉伸、可反复扭曲、可反复折弯不易损坏的特点。

目前弹性导电体应变范围只有30%左右，本发明所提供的多层导电弹性复合材料应变范围可达到400%，而且电阻在拉伸过程中变化率小于2%，而且反复使用2000次以上，性能衰减仍小于5%，真正实现超大形变且性能稳定的导电弹性复合材料。

附图说明

图1，多层导电弹性复合材料的结构示意图，（1）为拉伸状态下，（2）为收缩状态下。

图2，多层导电弹性复合材料的制备过程示意图。

图3，相同厚度不同层数下单位长度的复合材料电阻与拉伸长度的关系。

图4，相同层数不同厚度的样品截面扫描电镜图，层数为100层，其中图a、b、c、d对应的内层厚度分别为5微米、8微米、20微米、36微米。

图5，导电弹性复合材料弯曲、扭转、按压过程中电阻变化曲线图，其中图a为弯曲情况下电阻变化曲线，横坐标为弯曲直径；图b为旋转扭曲情况下电阻变化曲线，横坐标为单位厘米扭曲圈数；图c为按压过程中电阻变化曲线，横坐标为按压时符合材料应变幅度。

图6，对导电弹性复合材料反复拉伸、弯曲1000次之后，再次测量弯曲、扭转、按压过程中电阻变化曲线图，其中图a为弯曲情况下电阻变化曲线，横坐标为弯曲直径；图b为旋转扭曲情况下电阻变化曲线，横坐标为单位厘米扭曲圈数；图c为按压过程中电阻变化曲线，横坐标为按压时符合材料应变幅度。

图7，a相同层数不同厚度单位长度电阻与拉伸长度变化曲线图；b相同层数不同厚度电阻与拉伸长度变化曲线图；c电导率与内层橡胶厚度变化曲线图。

图8，实施例最终得到的样品实物图。

具体实施方式

下面参照说明书附图2对本发明的实施方式进行详细说明。

本发明所述多层导电弹性复合材料由导电层和电介质层在基底上交替铺叠组成。详细步骤如下：

（1）基底的选取：限于碳纳米管弹性远不如橡胶，如果选用回弹性能差的橡胶作为基底，随着铺设碳管层数的增大，制备的导电弹性体拉伸倍数就会减小。为解决此问题，保证导电弹性体拉伸倍数基本不变，这里我们选择回弹性能较好的硬橡胶作为片状基底，基底大小：长50mm,宽10mm。

（2）导电层的制备：将步骤1中的基底根据所需拉伸率拉伸至原长的1-5倍，本实施例选取最大倍数5倍。原始长宽分别为50mm和10mm，拉伸后的长为250mm，宽为7mm。接着铺一层碳纳米管作为导电层，碳纳米管长为85mm，宽为6mm，碳管层数根据所需制备导电弹性体的层数而定。铺设完毕之后，在碳纳米管上滴少量乙醇，使碳纳米管全部浸润，可达到碳纳米管与基底紧密贴合的作用。所述的碳纳米管轴向全部平行于基底轴向方向排列。待乙醇挥发后将基底缩回至原始状态。

（3）电介质的制备：待步骤2中的基底恢复至原始状态，再在上面喷涂橡胶溶液作为电介质，所述橡胶溶液由超软弹性芯以一定的比例溶解于有机溶剂中获得，本实施例采用超软弹性芯溶于环己烷中所得，溶解比例一般为1：15-1：30（质量体积比），本实施例中采用1：23（g：ml），其主要作用是将相邻的碳纳米管隔离开，以制得所需层数的导电弹性体。橡胶溶液的喷涂厚度可人为控制，相同层数下，可通过控制喷涂时间，制得所需厚度的导电弹性体。本实施例中选用100层，5微米,8微米,20微米,36微米四个不同内层厚度。由于不可避免误差，喷涂厚度太薄容易导致样品太薄，不容易从基底上脱离；而喷涂太厚会形成较大褶皱，在拉伸过程中容易导致上层碳管断裂，影响导电弹性体的稳定性，影响其使用范围。喷涂过程可人工操作，也可机械喷涂。

（4）根据所需层数，重复步骤2、3。

（5）待步骤4完成以后，将样品从基底上揭掉，从而得到稳定的多层导电弹性复合材料，参考说明书附图8。

针对以上实施步骤解释如下：

所述多层导电弹性复合材料由碳纳米管和橡胶构成的，此处的碳纳米管可以为单壁碳纳米管，亦可以为双壁或者多壁碳纳米管，层数数值越大，导电性能越好。请参考说明书附图3相同厚度不同层数下，复合材料的单位长度电阻与拉伸长度的关系。

制备的多层导电弹性复合材料，由拉伸状态释放为自然状态时，碳纳米管层在横向会形成周期褶皱，该周期褶皱确保了所述弹性体在大幅拉伸收缩时维持电阻的稳定。请参考附图4相同层数不同厚度的样品截面扫描电镜图。

上述步骤（2）所述导电弹性复合材料碳纳米管导电层的铺设方法如下：碳纳米管层由一碳纳米管阵列制备得到，该碳纳米管阵列需基本沿同一方向取向排列。首先，根据所需宽度采用一定宽度的胶带或者刀片自碳纳米管阵列中选取多个碳纳米管一致往外拉伸，以一定的速度沿实际上垂直于碳管阵列生长方向拉伸碳纳米管，所述的多个碳纳米管在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离碳纳米管阵列的基底，并在范德瓦尔力的作用下，使选定的多个碳纳米管分别与其它相邻的碳纳米管首尾相连，连续拉出，根据所需长度，制备相应长度的取膜框并取膜，取下膜后，将其平行于基底方向均匀铺设于基底和电介质之上。

步骤（3）中不同厚度电介质层的制备方法如下：电介质由橡胶溶液经空气喷涂泵喷涂得到，喷涂过程需保持喷枪垂直于基底方向，左右恒速移动喷枪，使橡胶溶液均匀的落在基底上。调节空气泵压力以及喷枪与基底距离到一固定值（一般情况下，压力范围大概为30-40psi，喷枪与基底距离大概为10-20cm，本实施例中选择压力为30psi，距离为15cm），通过控制喷涂时间，得到所需厚度的电介质层。

步骤（5）所述将样品从基底上脱离的方法如下：使样品一端轻轻从基底上脱离一小段距离，沿此部分斜向上轻拉样品，使样品完全从基底上脱离。此过程可人工操作，亦可机械操作，并且拉样品时速度不可过快，一定要缓慢进行，防止破坏样品。

所述的多层导电弹性复合材料，能够保持稳定的导电性能和机械性能，在弯曲，扭转，按压过程中，依旧保持电阻值的稳定，电阻变化不超过0.5%（参照附图5）。经过1000次反复拉伸和弯曲后，性能衰减小于1%（参照附图6）。当内层橡胶厚度从5微米增加到36微米时，在不拉伸情况下，单位长度电阻从31.7欧/cm增加到41.7欧/cm；同时可拉伸的最大长度基本保持不变，仅仅从5倍变到了4.6倍（参照附图7a）。此外不同内层橡胶厚度的样品在拉伸过程中电阻变化小于1.5%（参照附图7b）。同时随着内层厚度的减小，电导率增加了29倍，从1s/m增加到了29s/m（参照附图7c）。因此，通过控制内层橡胶的厚度可以很方便的得到所需电导率的多层导电弹性复合材料。

另外，相关领域技术人员还可以依据本发明技术方案做其它变化，依据本发明技术方案所做的变化，都应包含在本技术方案所保护的范围之内。