中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2018

专注于为医疗器械研发与生产服务

2018年 9月26日-28日 | 上海世博展览馆

美研究人员制备出新型碳纳米管编织物薄膜可极大增强柔性电子设备的机械强度及可靠性

2017-05-03

金属薄膜的结构鲁棒性(Robustness)对于健康监测传感器等智能柔性电子设备的可靠运行十分重要。整齐排列的均一碳纳米管薄片应用范围很广,跨越从微观到宏观的多个尺度,包括微机电系统(MEMS)、超级电容器电极、电缆、人造肌肉和多功能复合材料等。

近日,受自然界及古代复合材料结构的启发,伊利诺伊大学乌尔班纳-香槟分校的的研究人员合成出了兼具高导电性及50倍于电子工业用铜膜韧性的碳纳米管(CNT, Carbon Nanotube)编织物,有望大幅度增强柔性电子设备的机械强度及可靠性。值得一提的是,该研究首次将断裂力学原理应用于对碳纳米管编织物的设计和对其纳米结构韧性的研究当中。

早在上个世纪九十年代,碳纳米管就被称为“神奇材料”而应用于多种纳米技术当中。“神奇材料”这种称法毫无疑问是十分正确的。这些微小的圆柱结构体由石墨烯薄片卷曲而成,直径仅有几个纳米(大约为头发丝的千分之一)。单根碳纳米管的强度高于钢铁和碳纤维,密度小于铝,且具有优于铜的导电性。但是,利用碳纳米管构建如纺织品或薄膜等材料并在厘米或米的宏观尺度下仍然能保持单根碳纳米管的优良特性却十分困难。最大的挑战来自于对碳纳米管的组装与编织,因为碳纳米管尺寸太小且几何结构很难控制。

研究人员表示,正是由于对碳纳米管编织物断裂能的研究指导他们设计出了这些极其坚韧的碳纳米管薄膜材料。研究人员以标题为“采用碳纳米管毛细管拼接技术制备纳米导电编织物”的研究论文,将其研究成果发表在《先进工程材料》期刊上。

具体工艺细节如下:

最初,研究人员将催化剂放置在氧化硅衬底上,利用化学气相沉积法沿垂直方向生长碳纳米管并将其平行排列成5微米宽、10微米长、20到60微米高的形状。

工艺中交错排列的催化剂图形受到了砖块和灰浆设计思想的启发,这样的材料组织结构在一些坚固的天然材料中很常见,如骨骼、珍珠层、玻璃海绵和竹子等。而对于如何将碳纳米管固定在一起,研究人员借鉴了五千多年前古埃及人制作亚麻纺织品时所采用的拼接工艺。通过对包括微轧和简单机械压缩等多种机械方法的尝试,他们最终选择利用自驱动毛细作用力将碳纳米管固定在一起。

柔性电子设备需要经受重复的弯曲和拉伸动作,极易出现机械故障。将新型碳纳米管编织物简单封装在弹性体阵列中,可被用于智能纺织品、智能皮肤以及更重柔性电子设备的制作当中。由于具有极高的韧性,新型碳纳米管编织物将成为金属薄膜材料的替代材料使柔性电子设备的可靠性得到进一步的增强。