柔性功能高分子材料及器件的設(shè)計與應(yīng)用.pdf

1、近年來，柔性器件因其具有柔性、輕薄等特性，在生物醫(yī)學(xué)、能量存儲與轉(zhuǎn)換器件、可穿戴設(shè)備、醫(yī)用傳感器、便攜設(shè)備等領(lǐng)域廣泛研究。柔性器件大多采用柔性電子技術(shù)，在彈性基底上，把剛性的微電子器件通過柔性的導(dǎo)線連接起來。剛性的微電子器件大大限制了器件的可變形性，且工藝比較復(fù)雜，難以適用于大規(guī)模、大面積的組裝。用具有可拉伸性的有機導(dǎo)電材料和半導(dǎo)體材料制備柔性器件是一種簡便有效的方式，但是現(xiàn)有的有機導(dǎo)電材料和有機半導(dǎo)體材料的可拉伸性較差，材料的機械性能

2、和電學(xué)性能有待改進。
　　本論文旨在設(shè)計合成并利用柔性的功能高分子材料，直接組裝柔性器件，分別是柔性驅(qū)動器、柔性超級電容器及柔性的熱釋電納米發(fā)電機，研究其在能量轉(zhuǎn)換、存儲、和收集方面的應(yīng)用。本論文對如何設(shè)計合成柔性的導(dǎo)電高分子及利用柔性功能高分子材料組裝柔性器件具有積極的指導(dǎo)意義。論文的工作包括以下四部分的內(nèi)容:
　　(1)利用電化學(xué)聚合法合成的聚吡咯可以形成自支撐的薄膜。但聚吡咯主鏈的剛性共軛結(jié)構(gòu)導(dǎo)致聚吡咯薄膜比較脆，機械

3、性能很差，大大限制了它作為柔性電子材料的應(yīng)用。之前的研究中在提升聚吡咯薄膜的機械性能和導(dǎo)電性方面做了大量的嘗試。但聚吡咯薄膜的強度和可拉伸性并沒有得到很大的提升，制備高強度、柔性以及高導(dǎo)電性的聚吡咯薄膜，是將聚吡咯薄膜應(yīng)用于柔性電子器件領(lǐng)域的關(guān)鍵。通過模擬動物真皮的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，我們設(shè)計并合成了一系列多元醇-聚吡咯復(fù)合材料。多元醇與聚吡咯之間通過氫鍵和靜電相互作用交聯(lián)形成動態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠幫助耗散外界施加的破壞性能量，

4、從而大幅提高材料的強度和韌性。多元醇-聚吡咯復(fù)合材料的機械性能和多元醇的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，其中具有四分支結(jié)構(gòu)的聚乙二醇(PEE)和聚吡咯的復(fù)合物(PEE-PPy)的機械性能最為優(yōu)異:PEE-PPy的拉伸強度可達125 MPa，平均斷裂伸長率為75％，彈性韌性高達73 MJ/m3，其彈性韌性超過繭絲(70 MJ/m3)。除此之外，PEE-PPy的電導(dǎo)率高達115 S/cm，優(yōu)于傳統(tǒng)的聚吡咯材料。多元醇-聚吡咯復(fù)合材料的高強度、韌性、柔性和優(yōu)異

5、的導(dǎo)電性，使其作為柔性電子材料具有很大的應(yīng)用潛力。
　　(2)第一部分中制備的多元醇-聚吡咯薄膜是一種對濕度具有靈敏響應(yīng)性的聚合物。通過在濕度響應(yīng)性的聚吡咯薄膜中摻入超順磁性的磁性納米粒子，我們設(shè)計并制備了濕度驅(qū)動的柔性“牽引機”。在外界靜態(tài)磁場的控制下，這種直接用柔性功能性聚合物薄膜制備的柔性驅(qū)動器，可以有效地把蘊藏在環(huán)境濕度梯度中的化學(xué)自由能轉(zhuǎn)化為機械能，并且能快速地將它本身重量5倍的貨物運輸?shù)侥康牡亍?br>　　(3)伴隨著

6、輕便可移動電子器件以及可穿戴設(shè)備等柔性器件的發(fā)展，作為新型儲能器件，柔性超級電容器的需求也與日俱增。我們制備的聚乙二醇600(PEG600)摻雜的聚吡咯(PEG600-PPy)薄膜，具有優(yōu)異的機械性能和電化學(xué)性能，既可以作為電極材料，也可同時作為集流器。因此，我們用PEG600-PPy薄膜直接組裝制備了自支撐柔性超級電容器，該器件可達到561 F/cm3的體積比電容，并且循環(huán)穩(wěn)定性很好，壽命長。器件整體的厚度只有100μm，具有超薄的特

7、性，而且具有一定的柔性和強度，在折疊彎曲等變形下，比電容值保持不變。這種用高性能導(dǎo)電聚吡咯直接組裝所得的柔性超級電容器，可以作為超薄柔性電子器件的儲能設(shè)備。
　　(4)利用熱釋電納米發(fā)電機進行能量收集，是一種新興的收集環(huán)境廢熱的有效方式?？焖俚臏囟茸兓菬後岆娂{米發(fā)電機工作的關(guān)鍵，但現(xiàn)在大多數(shù)都需要額外的機械或者電動設(shè)備來獲得快速變化的溫度場。我們設(shè)計并制備了一種水汽驅(qū)動的自維持的熱釋電納米發(fā)電機，利用水蒸汽冷凝放熱和蒸發(fā)吸熱導(dǎo)致