浙江大學工程力學系曲紹興教授與賈錚教授課題組研發了一種具有優異力學性能的全固態離子導電彈性體，成果以《A Mechanically Robust and Versatile Liquid-Free Ionic Conductive Elastomer》為題發表在材料領域知名期刊Advanced Materials上。他們將酯類單體乙二醇甲醚丙烯酸酯(MEA)、丙烯酸異冰片酯(IBA)和雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰(LiTFSI)按一定比例混合，通過自由基聚合的方法，制備了一種新型的全固態離子導電彈性體。該材料中高分子網絡與離子間存在大量氫鍵與鋰鍵(如圖1a所示),這些氫鍵與鋰鍵起到物理交聯點的作用并且在材料受拉伸時可發生斷裂、耗散大量能量，使得該離子導電彈性體擁有極好的力學性能。此外，該離子導電彈性體具有非晶結構(圖1b)和良好的透明度。含鹽量為0.5 M的離子導電彈性體的可拉伸性超過1600%(圖1c)，其工作溫度窗口在-14.4゜(相轉變溫度，圖1d)到200゜(熱分解溫度，圖1e)之間，相比水凝膠而言具有極高的溫度穩定性。

圖1.全固態離子導電彈性體的微觀結構示意圖及物理性質。

該離子導電彈性體具有優異的力學性能，無論鋰鹽濃度如何變化，其可拉伸性保持在1500%以上(圖2a)。眾所周知，材料設計領域存在著兩對矛盾：(1)大部分材料的強度和斷裂韌性難以同時提升;(2)離子液體凝膠的導電性與機械性能(強度、模量)難以兼得。有趣的是，隨著鋰鹽含量由0.0 M提高到2.0 M，該離子導電彈性體的斷裂韌性、強度、模量均提高數倍(圖2b-d)，同時克服了上述兩對矛盾。此外，該離子導電彈性體還具有力學自修復性(圖2e)和良好的回彈性能(圖2f-h)。

圖2.全固態離子導電彈性體的力學性能。

該全固態離子導電彈性體還具有良好的導電性。圖3a-b展示了全固態離子導電彈性體中鹽濃度/溫度和導電性之間的關系。此外，7天的測試結果表明材料在室溫空氣環境中也具有穩定的電導率(圖3c)。該材料還具有電學自修復的特性，經過10小時的自修復過程，其電學自修復效率可達97%(圖3d)。綜上所述，全固態離子導電彈性體具有良好的力學性能與導電性，可以被用作電阻式應變傳感器，圖3e-h展示了全固態離子導電彈性體作為電阻式應變傳感器的原理與應用。

圖3.全固態離子導電彈性體的電學性能。

通過將全固態離子導電彈性體與介電彈性體材料結合，可開發多種離子器件，包括離子皮膚、納米摩擦發電機等。圖4a展示了基于全固態離子導電彈性體的離子皮膚的結構示意圖。與水凝膠和介電彈性體的天然弱界面粘接不同，全固態離子導電彈性體與大部分介電彈性體(如VHB等)有較強的粘接(圖4b)，利于保證離子器件的結構完整性。該離子皮膚能將多種外部載荷(比如拉伸、壓縮及溫度變化等)轉換為電容信號的變化(圖4c-g)，且具有較高的響應速率。

圖4. 基于全固態離子導電彈性體的離子皮膚。

3D打印技術可將材料打印成復雜結構，有助于拓展材料的應用范圍。該全固態離子導電彈性體也具有可打印性。圖5中展示了基于數字光處理技術(DLP)的離子導電彈性體打印平臺(圖5a)和打印得到的結構(圖5b-f)。

圖5. 全固態離子導電彈性體的可加工性。