交叠碳基复合膜的材料设计及其在柔性智能器件中的应用研究

Energy storage materials integrated with strain sensing function to realize multifunctional devices has attracted much attention. This project focuses on the design and synthesis of composite materials based on carbon materials and electroactive materials (e.g., polyaniline) for energy storage and sensing devices. It mainly includes exploring carbon materials (one-dimensional carbon nanotubes, two-dimensional graphene sheets) with overlapping structures by pre-stretching substrates, exploiting the effect of formed overlapping structures on sensing performance (sensing sensitivity and range), and further introducing polyaniline by electrodeposition method and studying the electrochemical performance of polyaniline-carbon composite as electrode material of supercapacitors. The effects such as overlapping structure and aspect ratio of carbon materials on material properties (e.g., mechanical and electrical properties) and device performances will be investigated. Besides, the relationship between material structures and properties and the underlying mechanism will be revealed to provide new insights for exploring next-generation high-performance, multifunctional flexible devices.

如何将储能材料拓展到应变响应的智能化储能材料，实现多功能器件的集成，是目前储能材料与智能化器件研究的热点和难点。本项目拟研究碳基材料在柔性预拉伸基底的应变传感，进一步将碳材料与电活性物质（如导电聚合物聚苯胺）复合，合成高性能多用途的复合材料，将其用于应变传感及能源存储器件。主要包括:设计交叠结构的碳膜（一维碳纳米管、二维石墨烯片），研究其应变传感机制，通过预拉伸基底形成交叠结构，提高碳膜传感灵敏度并拓宽其传感范围；并进一步通过电沉积方法引入聚苯胺，研究聚苯胺-碳基复合材料作为超级电容器电极材料的电化学性能。探讨碳膜材料的交叠结构、长径比/厚径比、与电活性物质复合方式等因素对复合材料性能（如机械和电学性能）及器件性能（响应速率和储能效率）的影响规律；总结材料结构与性能的关系，揭示碳材料与导电聚合物的相互作用机制，为开发设计下一代高性能、多功能的柔性器件提供新思路。

碳材料具有导电性优异、化学稳定性高、机械柔性好等优点，在智能器件中应用前景十分广泛。本项目以碳材料为研究对象，提出了低成本可控制备材料的方法，通过调控碳基材料的形貌、结构等特性，设计出了碳纳米管-织物、碳纳米管-石墨烯等传感材料，构建了高灵敏检测、宽响应范围、多方向感知的力学传感器件，以及设计了碳布-金属氧化物、碳纳米管-金属合金等能源材料，开展了多系统能源存储性能和机制研究，实现了高安全、高性能电池体系。目前已获得以下研究成果：（1）采用湿法纺丝、化学还原及催化热解，得到碳纳米管-石墨烯杂化纤维。石墨烯片层上原位生长的碳纳米管有效提高了纤维的机械强度和导电性，在应变下起到桥接作用，从而提升了器件的检测范围及灵敏度。该传感器可用于检测微弱生理信号、高频率震动信号，并可实时监测人体坐姿，在个性化健康领域具有巨大应用潜力。（2）通过溶液浸涂法，在棉织物上吸附单壁碳纳米管，制得碳基导电织物。织物独特的编织结构使其在横纵方向上弹性不同，赋予组装的织物应变传感器具有多方向运动/变形检测的能力，而且可很好地贴合人体，在可穿戴电子和智能服装领域应用前景广泛。（3）通过溶液浸涂法，将多孔聚氨酯海绵浸入氧化石墨烯溶液中，经化学还原得到导电石墨烯-海绵，将其组装成压力传感器并进行柔性及机电性能测试。组装的传感器可感知空间压力分布，并可用于制作电子琴键、远程控制家电等。（4）利用化学气相沉积法，合成多级碳基杂化物（碳包裹镍锡合金材料），并进行金属离子存储性能研究。金属镍充当缓冲相抑制电池运行过程中锡的体积变化，原位生长的导电碳纳米管网络加速电子/离子传输，共同促进了储锂/钠性能的提升。（5）采用溶剂热反应，在三维碳布上生长纳米氧化锌阵列，并经热熔融锂灌注，得到柔性碳布复合电极。碳布的层级结构及表面亲锂位点修饰，可诱导锂在碳布表面的无枝晶生长，为构筑下一代高安全、长循环电池提供新思路。