基于氢键自修复可拉伸导电纤维的制备及力电性能研究

作     者：杨丹 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：齐殿鹏

授予年度：2021年

学科分类：081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：柔性电极 自修复 氢键 高拉伸 信号检测 

摘      要：生物电极是实现生物组织与外部电气硬件信息交流的关键界面器件,其在人类大脑研究、生物电子医疗和神经义肢等科学研究领域起着至关重要作用。为匹配生物组织的拉伸特征,例如,人体肌肉具有40%的伸缩,要求电极具有一定的柔韧性和可伸缩性,使其在拉伸状态下具有低电阻变化率,避免因电阻变化巨大,形成低清晰度、不准确的电信号,甚至电极失效。然而,典型导电材料(金属、碳、导电聚合物等)的不可拉伸性,很难使电极在高拉伸甚至损坏情况下保持导电路径的互连性。在本课题中,首先使用缩聚反应设计合成一种高拉伸、室温条件下具有快速自修复性的聚硅氧烷弹性体。实验结果表明,通过改变反应配比,基于动态氢键交联自修复弹性体的力学性能和自修复性能得到有效调控。得到柔性基底表现出良好的力学性能(拉伸应变达到744%,拉伸应力达到1.86 MPa),室温下快速高效的自修复性能(～96%)和缺口不敏感性。随后,提出双微裂纹耦合结构,利用滚动封装技术得到基于自修复基底的双层纤维状电极。此设计利用导电通路间彼此互补,使电极在拉伸过程中保留更多的导电路径,同时完成对电极的封装。与PDMS金电极相比,制得自修复基底对金的界面附着力有所提高,为获得双层结构设计提供了保证。实验结果表明,100%应变下其电阻变化(R/R)约为6倍,远低于相同应变下的其它设计(薄膜电极R/R≈50,单层纤维状电极R/R≈16),并具有～200%的导电拉伸性;即使电极带有缺口,仍可承受～300%的拉伸应变,弥补了PDMS金电极在微小裂纹下快速断裂的缺陷。此外,该电极在室温下愈合12 h后具有～85%的断裂应变。最后,我们证明了其在记录人体运动信号、植物生理信号方面的应用。该设计为柔性电极的高延伸性提供了一种新的可行性策略。