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一文读懂碳基柔性材料

碳材料具有综合优势 ， 如良好的电气性能 ， 导电性 ， 固有和结构柔韧性 ， 重量轻 ， 化学成分高和热稳定性 ， 易于化学功能化 ， 以及潜在的大规模生产 ， 使其成为灵活、耐磨的电子产品的首选材料 。 因此 ， 研究者们付出了巨大的努力 ， 合理的设计出各种碳基柔性材料 ， 用于下一代电子产品的结构 。
碳基柔性材料
碳纳米管：碳纳米管具有极小的弯曲半径 ， 在极度弯曲的条件下仍然具有良好的电化学性能；并且良好的结合力使其经过多次弯曲之后 ， 还能紧密结合 ， 因此 ， 碳纳米管作为柔性材料具有很大的优势 。
碳纤维：碳纤维本身存在脆性 ， 柔性差等缺点 ， 使得其应用有很多限制 。 但是随着科学技术的发展 ， 具有高柔性 ， 导电性 ， 导热性的碳纤维材料的逐渐被挖掘 ， 也正在应用于军事 ， 通讯 ， 电磁场 ， 能能服饰等领域 。
其他碳基材料：目前聚合物或织物复合的碳材料用在柔性传感器上较多 。
碳基柔性材料的应用领域
1耐磨应变/压力传感器
柔性电阻式应变/压力传感器通常由导电传感元件与弹性聚合物或其他柔性/可拉伸基材（如纤维、纱线和纺织品）耦合组成 。 应变/压力刺激会引起导电元件间接触电阻的变化 ， 这种变化可以通过电测量系统进行检测 ， 从而检测应变/压力变化实现了刺激反应 。 柔性电容式应变/压力传感器包含两个由弹性体介电层隔开的柔性导电层 。
研究者已经研发了多种用于皮肤温度监测的柔性温度传感器 。 传感机制包括热敏电阻 ， 热电探测器 ， 硅二极管探测器 ， 有机场效应晶体管 ， [123124]和比色温度指示器 。 热敏电阻具有灵敏度高、精度高、响应速度快、重复性好等优点 ， 已成为可穿戴健康监测的重要温度传感器 。
3穿戴式电化学传感器
与其他测量技术（例如光学和阻抗生物传感器）（通常具有次优的选择性和灵敏度以及对环境的低干扰性）相比 ， 电化学传感器因其固有的小型化 ， 简单性 ， 低廉性而引起了可穿戴式监测健康相关生物标志物的更多研究兴趣 。 功率需求 ， 高灵敏度和选择性可穿戴式电化学传感器已经设计在柔性或者可拉伸的基材上 ， 例如塑料 ， 纺织品 ， 纹身纸和可拉伸的弹性体 ， 赋予了传感器具有与非平面人体皮肤或器官紧密接触的能力 。
4用于穿戴式医疗保健系统的柔性导电电极/电线
典型的电生理信号包括ECG、EMG、EEG和EOG ， 它们分别反映心脏、肌肉、大脑和眼睛的活动 。 例如 ， 心电图记录由心跳引起的电信号 ， 提供有关心脏生理状况的重要信息 ， 在心血管疾病的临床研究中起着至关重要的作用 。 为了对ECG ， EMG和EEG进行可穿戴式监控 ， 应将传感器粘附在皮肤上以收集电信号 ， 并且传感器必须与皮肤保形接触 ， 以减少电极-皮肤界面之间的阻抗 。 商业电生理电极通常由Ag/AgCl电极 ， 电解质水凝胶和粘合剂组成 ， 它们被称为湿电极 ， 由于其低成本和高效率而被广泛使用 。 但是 ， 由于凝胶电解质的脱水和凝胶引起的可能的炎症 ， 这些湿电极不适合长期记录电生理信号 。 为了消除脱水和凝胶电解质可能发炎的影响 ， 已经开发了各种干燥电极 ， 这些电极可以在没有凝胶电解质的情况下直接附着在人的皮肤上 。 干电极的电导率和机械柔韧性是确定测量信号质量的两个重要参数 。
为了开发柔性甚至可伸缩的能源装置 ， 科学家们已经进行了大量的研究工作 ， 包括超级电容器、电化学电池（例如锂电池、钠电池和金属空气电池）、光伏装置、和发电机等 。
6集成可穿戴系统
除了集成在柔性基底上的多模传感器外 ， 表皮电子学可以直接通过vanderWaals相互作用将其整合到皮肤上 。 它们具有很高的柔软性和延展性 ， 与表皮的机械特性相匹配 。 表皮电子学由于与皮肤紧密接触 ， 可以提供具有大信噪比的重要健康相关征象 。 此外 ， 可穿戴的人机交互健康监测电子设备将成为下一代可穿戴医疗系统 ， 它可以监测与健康相关的生命体征 ， 然后对佩戴者的需求（如药物递送）做出响应 。
7其他领域
碳基柔性材料也被用于柔性电子 ， 如柔性触摸板、柔性有机发光二极管（OLED）和柔性有机太阳能电池（OSC） 。 透明导电薄膜（TCFs）是上述电子器件的关键部件之一 。 目前 ， 由于ITO薄膜具有良好的导电性和高透明度 ， 最为常用 。 由于碳纳米管和石墨烯具有优异的电学和光学特性、良好的化学/热稳定性以及良好的柔韧性等优点 ， 碳纳米管和石墨烯有望成为柔性和TCFs的候选材料 。 因此 ， 碳纳米管和石墨烯作为柔性触摸屏、OLEDs和OSCs中柔性和透明电极的TCFs得到了广泛的研究 。
碳基柔性材料及应用企业代表
“我国的碳基半导体研究是代表世界领先水平的 。 ”彭练矛院士说 。 碳基技术在不久的将来可以应用于国防科技、卫星导航、气象监测、人工智能、医疗器械等多从领域 。 如下表列了一些碳基柔性材料及应用的代表企业 。
1.彭练矛院士和张志勇教授带领团队 ， 通过多次提纯结合自组装方法 ， 制备的碳纳米管平行阵列 ， 实现了性能超越同等栅长硅基CMOS的晶体管和电路 ， 成功突破了长期以来阻碍碳纳米管电子学发展的瓶颈经 ， 为推动碳基集成电路的工业化发展奠定了基础 。
2.麻省理工学院助理教授MaxShulaker团队展示了如何在200毫米的标准晶圆上批量制备碳纳米管场效应晶体管 。
3.行业领先的工业3D打印设备制造商和增材制造解决方案供应商远铸智能（INTAMSYS）,发布了一款针对柔性材料生产应用的高速3D打印设备FlEX510 。
4.北京航空航天大学和河北科技大学等单位合作提出了构建均匀稳定的电解质界面膜的新思路 。 通过原材料的选择和工艺调控制备出一种表面具有二氧化硅和氧化镁纳米粒子的磷硫共掺杂柔性碳纤维薄膜 。 该项工作为开发高倍率储能和低成本的柔性电极提供了新思路 。
碳基柔性材料正在续写着21世纪的未来 。 不久的将来 ， 折叠电脑 ， 折叠手机 ， 可穿戴数码产品方兴未艾 ， 柔性设备将会越来越受到重视 ， 因为他们可以在各种苛刻的环境中工作 ， 它的应用前景非常广阔 。 《星球大战》中 ， LukeSkywallker的机械手拥有灵敏的感观能力 ， 这么多年过去了 ， 电影中的场景已经成为现实 。 并且现在的柔性设备更加的多样化 ， 人性化 ， 提供了更加友好的交互设计 。 小编相信 ， 柔性电子将会将会为人类提供一种全新的交流方式 。
【一文读懂碳基柔性材料】来源：Carbontech


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