有机氟硅/碳复合材料高性能柔性电子器件用于低温可穿戴传感器

《RSC Advances》：High-performance flexible electronics from organic fluorosilicone/carbon composites for low-temperature wearable sensors

　　

柔性可穿戴传感器常因聚合物基底低温脆化及界面分层而在寒冷潮湿环境中失效。研究人员开发了一种耐用的复合电极材料以解决该“低温脆性”挑战。该材料通过将导电碳浆喷涂于有机氟硅合成革基底表面制备而成，基底采用铂催化硅氢加成反应（hydrosilylation）合成。当氟硅油含量为6 wt%时，复合薄膜表现出优异的力学性能（拉伸强度14.83 MPa，断裂伸长率296.25%）、显著疏水性（水接触角>128°）及出色抗疲劳性。所得柔性传感器展现出宽应变传感范围（0.5–20%）、高灵敏度、快响应时间（～0.1 s）及超过200次加载-卸载循环的长期稳定性。关键在于，这些性能在极低温度（如?80 °C）下仍保持良好。界面、力学及形貌表征证实导电层与氟硅基底间结合力强，且在低温条件下具备优异力学稳定性。扫描电镜（SEM）分析进一步揭示，连续导电网络的形成及应变下的可控裂纹演化是其稳定机电性能的来源。该研究为开发可在恶劣环境下工作的可靠可穿戴电子设备提供了有效的材料策略，在健康监测、人体运动检测及软体机器人等领域具有潜在应用价值。

研究背景与意义

柔性可穿戴传感器在人体健康监测和人机交互中应用广泛，但低温环境会导致聚合物基底发生玻璃化转变，引发脆化并与导电层产生热失配应力，导致界面分层甚至功能失效。此外，水汽渗透与冷凝会进一步加剧这一问题。传统硅基材料虽具备一定耐候性，但含全氟侧链体系成本过高。针对这一挑战，研究人员在《RSC Advances》发表研究，通过构建低玻璃化转变温度（T_g）的有机氟硅基底与稳定电子导电网络的复合体系，成功解决了柔性电子器件的“低温脆性”难题，为极端环境应用提供了新材料策略。

关键技术方法

研究人员首先合成了端乙烯基三氟丙基硅油（VTFPS），随后将其与乙烯基聚甲基硅氧烷（^ViPMVS^Vi）及聚甲基氢硅氧烷（PMHS）混合，在铂催化剂作用下经硅氢加成反应构筑交联网络，制备有机氟硅合成革（MTFPS）。通过在半固化基底表面喷涂导电碳浆并固化，最终形成MTFPS/碳复合柔性传感器。研究未涉及特定生物样本队列。

研究结果

氟硅油与MTFPS的结构表征

傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示，VTFPS在1600 cm^?1处出现C=C伸缩振动峰，且Si–O–Si吸收带增强并宽化，同时1204 cm^?1处C–F吸收增强，证实D₄与D₃F成功开环共聚，乙烯基被保留于分子链端。¹H NMR谱中5.75–6.10 ppm的多重峰进一步验证了端乙烯基结构。MTFPS的FTIR光谱中，乙烯基硅油的C=C键（802 cm^?1）与氢硅油的Si–H键（2161 cm^?1）特征峰显著减弱，表明硅氢加成反应成功进行。

MTFPS的性能表征

热重分析（TGA）显示MTFPS聚合物膜在514 °C时失重10%，最大失重速率温度为470 °C，至680 °C完全分解，具备优异热稳定性。差示扫描量热法（DSC）测试表明，不同氟硅油含量的MTFPS的T_g均低于?80 °C，归因于硅氧烷螺旋结构及弱分子间作用力，赋予其卓越低温柔韧性。力学性能测试显示，6 wt%氟硅油样品的断裂伸长率达296.25%，3 wt%样品的拉伸强度达13.5 MPa。接触角测试表明，15 wt%氟硅油样品在室温和低温下的接触角分别达128.3°和130.1°，疏水性显著提升。此外，MTFPS合成革在?80 °C下经历30000次折叠后仍无可见折痕，耐磨性（160.9 cycles per mg）优于聚氨酯（PU）和聚氯乙烯（PVC）皮革，且具备优异抗污性能。

涂层导电性能

以9 wt%氟硅油含量的MTFPS为基底制备的导电涂层，可检测低至0.5%的应变，具备0.11 s的快速响应与恢复时间，并在0.5–20%应变范围内保持稳定响应。在?80 °C下，该涂层经历200次拉伸-释放循环后电阻变化规律与室温一致，且在不同拉伸频率下信号规则清晰。人体运动监测实验表明，该传感器可准确识别手指弯曲、颈部活动、关节运动等大范围动作，并能捕捉面部表情、吞咽、语音、呼吸及脉搏等细微生理信号。长期稳定性测试显示，存储五个月后其导电性能无明显衰减。剥离试验与截面扫描电镜（SEM）证实导电碳层与基底界面结合紧密，无分层现象。

形貌表征

SEM观察显示，原始MTFPS呈多孔结构，掺入导电碳后形成连续导电网络。拉伸变形后，材料表面产生微裂纹并调控导电路径，且该裂纹演化行为在室温与?80 °C下相似，表明材料在极低温下仍保持结构完整性。

讨论与结论

研究人员通过原位硅氢加成反应成功制备了MTFPS合成革，当氟硅油含量为6 wt%时综合性能最优。该材料克服了传统柔性电子器件的低温脆性问题，兼具优异力学性能、疏水性、导电稳定性与环境适应性。研究证实，低T_g氟硅基质、强界面粘附与稳定导电网络的结合是实现高性能低温柔性传感器的关键。该研究为极端环境下工作的可穿戴设备、软体机器人及电子皮肤提供了可行的材料解决方案。