液态金属/弹性体软复合材料的应变刚化和正压导效应

ty10086 提交于 周三, 08/25/2021 - 16:10
文章英文标题
Strain stiffening and positive piezoconductive effect of liquid metal/elastomer soft composites
正文
液态金属( LM )液滴已被证明是一种有效的添加剂,可以将弹性体转变为在大的机械变形下保持高度导电的多功能复合材料。在此,我们提出了一种含Galinstan LM液滴包裹体的聚二甲基硅氧烷( PDMS )复合材料的应变硬化新现象。小的LM夹杂物在拉伸过程中液滴尺寸小于弹性毛细管长度后,由于液/固界面处的表面张力作用,增加了PDMS基体的刚度。LM含量分别为4.8   vol %、7.5   vol %和11.0   vol %的PDMS复合材料的抗拉强度分别为0.60   MPa、1.10   MPa和1.72   MPa,与PDMS基体相比分别提高了58 %、189 %和353 %。添加4.8   vol %和7.5   vol % LM液滴的PDMS / LM复合材料的电导率随试件应变的增大而增大,克服了常规聚合物/导电填料复合材料在机械变形下电阻上升的缺点。在拉伸循环载荷作用下,PDMS / LM复合材料在2000次循环后表现出优异的耐久性,当LM液滴体积分数为7.5   vol %时,相对电阻下降13 % (应变幅度为10 % ),当LM液滴体积分数为11.0   vol %时,相对电阻下降7 % (应变幅度为20 % )。而碳纳米纤维( CNFs )的杂交却影响了LM液滴在基体中的分布,只表现出增强的力学性能( PDMS4.8LM0.1CNF中拉伸强度提高了52 %,杨氏模量提高了31 % )。这类新型软材料为设计可穿戴电子、软机器人、可拉伸加热器和生物医学植入物创造了新的机遇。
文章内容(英文)
Liquid metal (LM) droplets have been demonstrated as an effective additive to transform elastomers into multifunctional composites that remain highly conductive under large mechanical deformation. Herein, we present a new phenomenon of strain hardening of polydimethylsiloxane (PDMS) composites with Galinstan LM droplet inclusions. Small LM inclusions increase the stiffness of PDMS matrix due to the surface tension effect at the liquid/solid interface after the droplet size becomes less than the elastocapillary length during stretching. The tensile strength was 0.60 MPa, 1.10 MPa and 1.72 MPa for PDMS composites with LM contents of 4.8 vol%, 7.5 vol% and 11.0 vol%, respectively, which represents 58%, 189%, 353% increase in comparison with the PDMS matrix. The electrical conductivity of the PDMS/LM composites with 4.8 vol% and 7.5 vol% LM droplets increased with the strain of the specimens, overcoming the shortcomings of rising resistance of conventional polymer/conductive filler composites under mechanical deformation. When subjected to tensile cyclic loading, the PDMS/LM composites demonstrated excellent durability after 2000 cycles with only 13% decrease (with 10% strain amplitude) in relative resistance for the composite with 7.5 vol% LM droplets and 7% reduction (with 20% strain amplitude) for that with 11.0 vol% of LM. The hybridization of carbon nanofibres (CNFs) however affected the distribution of LM droplets in the matrix and only showed enhanced mechanical property (a 52% increase in tensile strength and 31% increase in Young's modulus in PDMS4.8LM0.1CNF). This new class of soft materials create new opportunities of designing wearable electronics, soft robotics, stretchable heater and biomedical implants.
来源出处
Journal|[J]Composites Science and TechnologyVolume 201, 2021. PP 108497-
DOI
https://doi.org/10.1016/J.COMPSCITECH.2020.108497

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