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  拉脹導(dǎo)電彈性體是一類具有負(fù)泊松比特性和導(dǎo)電功能的機(jī)械超材料，在柔性傳感器、可穿戴設(shè)備和可拉伸顯示器等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用潛力。目前，拉脹導(dǎo)電彈性體通常是在傳統(tǒng)導(dǎo)電彈性體中引入特定幾何結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)拉脹性能。但拉脹幾何結(jié)構(gòu)的多孔特性往往導(dǎo)致材料的力學(xué)性能和導(dǎo)電性顯著下降。為解決這一難題，北京化工大學(xué)胡君教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)在高模量導(dǎo)電彈性體中引入凹角蜂窩結(jié)構(gòu)作為拉脹骨架，并與低模量導(dǎo)電彈性體基質(zhì)復(fù)合，制備了一體化拉脹導(dǎo)電彈性體復(fù)合材料（IACE，圖1）。得益于拉脹骨架和基質(zhì)界面處的共價(jià)互連和拓?fù)淅p結(jié)作用，IACE在拉伸載荷下保持良好的界面結(jié)合，展現(xiàn)出優(yōu)異的可拉伸性。

圖1. IACE的制備示意圖

  IACE中骨架和基質(zhì)之間的模量過(guò)渡區(qū)可以有效緩解因模量突變引起的應(yīng)力集中，從而確保界面結(jié)合的穩(wěn)定性。基質(zhì)在拉脹骨架牽引下的拉伸形變可以傳遞骨架上的應(yīng)力，促進(jìn)應(yīng)力的均勻分布和能量的高效耗散。相較于單獨(dú)的拉脹骨架，IACE展現(xiàn)出更為優(yōu)異的機(jī)械性能，包括2.6 MPa的斷裂應(yīng)力、457%的斷裂伸長(zhǎng)率及7.2 MJ·m^-3的韌性。此外，IACE在0-85%的寬應(yīng)變范圍內(nèi)呈現(xiàn)負(fù)泊松比效應(yīng)。相較于其他的拉脹導(dǎo)電聚合物，IACE在高拉伸性和寬拉脹應(yīng)變范圍方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)（圖2）。

圖2. IACE的界面性能、機(jī)械性能及拉脹性能

  與傳統(tǒng)正泊松比彈性體在拉伸載荷下的均勻應(yīng)變分布不同，IACE的骨架和基質(zhì)展現(xiàn)出獨(dú)特的異質(zhì)應(yīng)變分布。基體的平均局部應(yīng)變顯著高于總應(yīng)變，而骨架的平均局部應(yīng)變略低于總應(yīng)變。得益于拉脹形變誘導(dǎo)的獨(dú)特離子傳輸路徑，IACE在寬應(yīng)變范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的傳感性能，且靈敏度顯著提升。同時(shí)，IACE還具有精確可逆且快速的電阻響應(yīng)能力。將IACE粘附在機(jī)械臂關(guān)節(jié)處，通過(guò)監(jiān)測(cè)機(jī)械臂關(guān)節(jié)從伸展?fàn)顟B(tài)到彎曲狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中IACE的相對(duì)電阻變化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)彎曲狀態(tài)的實(shí)時(shí)反饋。經(jīng)多次循環(huán)載荷測(cè)試，IACE仍能保持穩(wěn)定的信號(hào)傳輸性能（圖3）。

圖3. IACE的電傳感性能

  該研究工作為開(kāi)發(fā)具有穩(wěn)固界面和寬拉脹應(yīng)變范圍的一體化拉脹材料提供了新思路，有效緩解了拉脹骨架和基質(zhì)的模量差異對(duì)界面結(jié)合及拉脹特性的不利影響。相關(guān)研究論文以“Bioinspired Integrated Auxetic Conductive Elastomer Composite With High Stretchability and Robust Interface”為題發(fā)表于Small期刊上。第一作者為北京化工大學(xué)軟物質(zhì)科學(xué)與工程高精尖創(chuàng)新中心博士生李佳偉，通訊作者為北京化工大學(xué)胡君教授、中國(guó)航空制造技術(shù)研究院張寶艷研究員以及航天材料及工藝研究所郝杰研究員。該研究工作得到了北京市自然科學(xué)基金-小米創(chuàng)新聯(lián)合基金和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)的資助，感謝所有合作者對(duì)該研究工作的貢獻(xiàn)。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202504272