西南大学张贻川、深圳大学陈光明《AFM》：像皮肤一样柔软并具有“J型”应力-应变行为的复合热电材料用于自供电应变传感

摘要：材料可以在没有外接电源的情况下驱动低功耗的可穿戴电子产品，其中聚（3,4-乙撑二氧噻吩）:聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT:PSS）是一种有广泛应用前景的材料。然而，未处理的PEDOT:PSS材料太硬太脆（杨氏模量>500 Mpa，断裂伸长率

高分子热电（TE）材料可以在没有外接电源的情况下驱动低功耗的可穿戴电子产品，其中聚（3,4-乙撑二氧噻吩）:聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT:PSS）是一种有广泛应用前景的材料。然而，未处理的PEDOT:PSS材料太硬太脆（杨氏模量>500 Mpa，断裂伸长率西南大学张贻川副教授和深圳大学陈光明教授采用水性聚氨酯 (WPU) 和精心选择的离子液体 (IL) 调控 PEDOT:PSS 的力学性能，制备的PEDOT:PSS/WPU复合材料表现出稳定 TE 电压、高拉伸应变（>500%）、超柔韧性和出色的应变灵敏度，并且在加载/释放处理后，复合材料呈现出类似于人体皮肤的“J型”应力-应变行为。该行为结合了低应变下“脚趾”区域足够的柔软性、高拉伸性和变形后期强劲的应变硬化能力，这样的非线性弹性行为使其能够与人体皮肤无缝、舒适地融合。考虑到复合材料优异机械性能和应变传感能力，它被设计为具有高应变灵敏度和准确度的自供电传感器。这项工作表明该复合材料在人体运动检测及可穿戴电子产品方面具有巨大应用潜力。

上述研究工作近期以“Skin-like soft thermoelectric composites with a “J-shaped” stress-strain behavior for self-powered strain sensing”为题发表在Adv. Funct. Mater.2024, 2420644; DOI: 10.1002/adfm.202420644。西南大学化学化工学院张贻川副教授为该论文第一作者兼通讯作者，深圳大学材料学院陈光明教授为通讯作者。

图1a~c展示了复合材料各个组分的化学结构、制备示意图及材料的拉伸特性。图1d展示了IL（EMIM:TCM）含量对复合材料热电性能的影响，结果表明EMIM:TCM含量是25wt%（X=25）时，复合材料热电性能最优异。图1e比较了不同离子液体（EMIM:BF4，EMIM:ES，EMIM:TCM和EMIM:TF2N）对材料热电性能的影响，结果表明EMIM:TCM处理后的复合材料热电性能最优异。因此，IL选择为EMIM:TCM，并且保持含量为25wt%（X=25）。

图1. 复合材料各组分、制备及性能

图2a展示了复合材料在不同WPU下拉伸特性，在WPU含量为85wt%时（Y=85）材料可以被拉伸到100%的应变。通过电导率和经典逾渗公式分析发现，材料的导电组分是一维结构（图2b），并且在Y=85以下材料的热电性能很稳定（图2c）。在复合材料经过加载/释放处理后，材料可以展现出类似于人体皮肤一样的“J型”应力-应变（图2d），并且材料的弹性模量4.32 ± 0.32 MPa 与1.04 ± 0.24 MPa之间（图2e），该数值几乎等同于人体皮肤的弹性模量(0.69~3.7 MPa)。在经过处理之后，复合材料的Seebeck系数依然保持稳定（图2e），这对于为可穿戴电子设备提供稳定的电压至关重要。

图2. 复合材料的力学性能、电学性能和Seebeck系数

图3a和b展示了复合材料具有高的响应特性和重复特性。将该复合材料设计为一个自供电的拉伸应变传感器（图3c），材料的外界电压和电流随着应变有明显的响应特性（如3d）。此外，可以将该材料贴在人体的不同关节处（例如手腕或肘部），材料对于人体运动可以展示出响应特性（图3e~g）。由于人体关节不可能做完全的重复运动，电信号在每个循环处也展示出轻微的差异，这表明材料自供电传感能力的精确特性。这些结果表明，该复合材料在可穿戴自供电传感电子设备中具有巨大的应用潜力。