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本文系统综述了导电墨水与弹性体复合材料在柔性压电纳米发电机（PENGs）中的应用进展，涵盖碳基纳米材料、金属纳米颗粒及导电聚合物的复合策略，讨论了印刷技术等规模化制备方法，分析界面优化、性能提升及多功能集成策略，并探讨在可穿戴电子和生物医学领域的应用潜力及产业化挑战。
Vineet Kumar | Nargish Parvin | Sang Woo Joo | Tapas Kumar Mandal | Sang-Shin Park
韩国庆尚南道庆山市杨南大学机械工程学院，邮编38541
摘要
导电油墨是一个快速发展的领域，其需求不断增加。随着自供电、柔性电子系统的兴起，人们对压电纳米发电机（PENGs）作为可持续能源的兴趣也在增加。这些发电机的性能核心在于开发出与弹性体基材兼容的智能导电油墨，这些油墨兼具机械柔顺性、导电性和环境耐久性。本文综述了近期在导电油墨的配方、功能化以及集成方面的进展，包括基于碳的纳米材料、金属纳米颗粒和导电聚合物在弹性体基复合材料中的应用。我们重点介绍了优化油墨与弹性体之间界面相互作用、提高压电输出以及实现多功能性的关键策略。此外，还讨论了可扩展的制造技术、在可穿戴设备和生物医学电子领域中的新兴应用，以及阻碍大规模应用的挑战。最后，我们展望了下一代导电-弹性体系统的设计前景，以弥合材料创新与实际能量收集解决方案之间的差距。
引言
可穿戴电子设备、柔性传感器和自供电系统的快速发展加剧了对可持续、轻量化且适应性强的能量收集解决方案的追求[1]。在各种技术中，压电纳米发电机（PENGs）因其能够将机械能转化为电能而成为有前景的选择，这促进了自给自足电子设备的开发[2][3]。PENGs的性能关键在于将导电油墨整合到弹性体基材中。这类油墨通常包含基于碳的纳米材料、金属纳米颗粒和导电聚合物[4]，它们在促进高效电荷传输和机械柔顺性方面起着重要作用。导电油墨与弹性体基底之间的协同作用使得设备既灵活又可拉伸，并能在机械变形下保持高导电性能[5]。最近的研究强调了各种导电油墨在提升PENGs性能方面的潜力[6]。例如，将碳纳米管和石墨烯掺入弹性体基材中可以改善其性能，如导电性和机械坚固性，这对可穿戴设备的耐用性至关重要[7]。同样，使用银和金等金属纳米颗粒显著提高了电荷收集效率，从而提升了PENGs的整体能量转换效率[8]。此外，包括打印技术在内的新型制造技术的发展促进了具有复杂几何形状和定制性能的PENGs的大规模生产[9]。这些进展为PENGs在从生物医学设备到环境监测系统等各种应用中的集成开辟了新途径。尽管取得了这些进展，但在优化导电油墨与弹性体基底之间的界面方面仍存在挑战[10]，这关系到长期稳定性和在循环负载条件下的性能一致性[11]。解决这些挑战需要全面了解材料特性和制造过程，以及设计基于弹性体的PENGs所涉及的设备架构[12]。
最近的多项研究表明，PENGs在自供电系统方面具有巨大潜力[13][14][15][16][17][18]。例如，Sun等人[13]开发了一种基于2D Bi?O?Se的诊断系统，通过深度学习方法监测心血管疾病，该自供电脉冲传感器的准确率达到了93.75%，适用于近9种常见疾病。Zhang等人[14]开发了基于CuInP?S?的PENGs，用于生物机械能量收集和语音识别应用，结果显示在0.85%的拉伸应变下，该设备的输出电压达到760 pA，是传统CuInP?S?非极化PENGs系统的3.8倍。Zhao等人[15]研究了基于NbOCl?的优化2D PENGs，实现了高达164.7 mV的峰对峰值开路电压，这是对称金电极的8.95倍。Li等人[16]基于MoSe?的2D PENGs研究显示，在0.6%的应变下输出电压达到60 mV，比其他过渡金属硫属化合物（包括MoS?）高出近6倍。Huo等人[17]的综述文章总结了基于2D材料的自供电传感器的最新研究，强调了2D材料在实现高性能PENGs/TENGs设备中的潜力。Zhang等人[18]的研究展示了基于PDMS薄膜的手势识别应用，实现了20 V的稳定电压，显示出其作为传感层的优越性。这些材料还具有成本效益高、资源丰富且适合大规模生产的优势。
本综述旨在全面概述智能导电油墨的最新进展，这些油墨特别适用于柔性压电纳米发电机，重点关注弹性体复合材料。综述的目标如下：
- 1. 材料探索：研究各种类型的导电油墨（包括基于碳的纳米材料、金属纳米颗粒和导电聚合物）及其在PENG应用中的集成。
- 2. 制造技术：讨论先进的制造方法（如打印技术），以实现柔性PENGs的可扩展和精确生产。
- 3. 性能提升：分析优化导电油墨与弹性体之间界面相互作用、提高压电输出和实现多功能性的策略。
- 4. 应用领域：探索基于导电弹性体的PENGs在可穿戴电子设备、生物医学设备、环境监测和物联网（IoT）中的新兴应用。
- 5. 挑战与未来展望：识别当前阻碍大规模应用的挑战，并提出下一代导电-弹性体系统的设计方向，以弥合材料创新与实际能量收集解决方案之间的差距。
通过实现这些目标，本综述旨在提供该领域当前技术的洞察，并激发未来在柔性压电纳米发电机研究方面的进展。
综述方法
采用了一种全面系统的方法来确保选择和评估高质量、最新且相关的文献，这些文献涉及智能导电油墨、弹性体复合材料及其在压电纳米发电机（PENGs）中的集成。该方法旨在批判性地识别、分析并综合最近研究（2020–2025年）的关键进展，为读者提供该领域的最新概述。
参考文献的追踪
- 遵循系统评价和荟萃分析（PRISMA）指南，以提高文献选择的透明度和可重复性。
尽管采用了系统方法，但仍存在一些局限性：
排除非英语文献，可能导致地区性研究差距。
由于纳米发电机技术的快速进步，非常新的预印本（未经同行评审）被排除在外。
手动筛选过程中可能存在主观性。
纳米发电机的工作原理
PENGs利用压电效应将机械能转化为电能，从而实现自供电电子设备的发展。其基本原理是在施加机械应力时某些材料中产生电荷[19][20][21]。压电效应主要表现为两种现象：直接压电效应和逆压电效应。直接压电效应是指在材料中产生电极化。
导电油墨：组成、机制和性能
导电油墨是柔性压电纳米发电机（PENGs）开发中的关键组件，因为它们决定了电荷收集和传输的电子路径[117]。将这些油墨与弹性体基底结合使用，可以在不牺牲导电性的前提下实现高机械柔顺性和可拉伸性，如图5所示。本节重点讨论压电摩擦纳米发电机（PTENGs），这是一种混合能量收集装置，结合了...
导电弹性体复合材料的制造策略
将导电油墨整合到弹性体基材中以制造PENGs需要精确有效的制造技术。这些技术确保导电材料均匀分布，并保持弹性体的固有机械性能[330]。然而，提升整个能量收集设备的性能至关重要。在各种制造方法中，打印技术已成为最有前景的制造策略之一。
性能提升策略
提升基于导电弹性体的PENGs的性能需要综合考虑影响其机械、电气和压电性能的各种因素[405]。以下策略侧重于优化填料形态、改善填料与弹性体之间的界面，并设计用于下一代能量收集系统的多功能复合材料。
基于导电弹性体的PENGs的应用
基于导电弹性体的PENGs因其出色的机械柔顺性、可拉伸性和将生物机械能转化为电信号的能力而受到越来越多的关注。这些特性使其在可穿戴电子设备和生物医学设备等领域具有广泛应用潜力[478]。它们柔软的、类似皮肤的质地使其能够与人体皮肤或组织紧密接触，从而实现高效的能量收集或传感。
挑战与限制
尽管基于导电弹性体的压电纳米发电机（PENGs）取得了显著进展，但仍需解决若干关键挑战才能实现其在实际应用中的广泛部署[521]。这些挑战涉及材料、制造、成本和设备集成等方面。本节概述了主要障碍及克服这些障碍的潜在策略。
下一代导电油墨的先进材料
下一代PENGs的发展在很大程度上依赖于能够无缝集成到柔性可拉伸弹性体基材中的智能导电油墨的创新[538]。随着对高性能、耐用和多功能能量收集设备需求的增加，传统材料（如炭黑、银纳米颗粒和基本导电聚合物）的局限性日益明显[539]。这些传统材料经常面临...
结论
近年来，柔性PENGs领域取得了显著进展，尤其是在将智能导电油墨集成到弹性体复合材料方面。本综述系统分析了2020–2025年间在这些混合系统的开发、表征和应用方面的最新进展，重点关注导电材料与弹性体基底之间的协同作用。本文介绍了从基于碳的纳米材料（如碳纳米管）开始的导电油墨的集成...
CRediT作者贡献声明
Vineet Kumar：撰写初稿、可视化、验证、项目管理、方法论、研究、数据分析、概念化。
Nargish Parvin：撰写初稿、可视化、验证、资源管理、研究、数据分析、概念化。
Sang Woo Joo：审稿与编辑、可视化、验证、软件开发、资源管理、研究、数据分析、概念化。
Tapas Kumar Mandal：撰写初稿...
资金
本研究未接受任何外部资助。
未引用的参考文献
[128], [429], [493]
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
