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硅橡胶材料的电学性能调控及其在柔性电子中的应用

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随着柔性电子技术的快速发展,硅橡胶凭借其优异的柔韧性、化学稳定性和生物相容性,成为柔性电子器件的重要基础材料。通过调控硅橡胶的电学性能,开发出具有导电、绝缘或介电特性的功能材料,为柔性传感器、可穿戴设备等领域提供了创新解决方案。


在导电硅橡胶的制备中,添加导电填料是最直接的方法。碳系填料(如石墨烯、碳纳米管)和金属填料(如银纳米线、铜粉)被广泛应用。例如,将石墨烯均匀分散在硅橡胶基体中,石墨烯的高导电性和大比表面积能够形成有效的导电网络。当石墨烯含量达到渗滤阈值(约 0.5-2 wt%)时,硅橡胶的电导率可从绝缘体(10⁻¹⁵ S/cm)跃升至半导体或导体水平(10⁻³ - 10² S/cm)。这种导电硅橡胶可用于制备柔性应变传感器,其电阻变化与应变呈线性关系,应变灵敏度系数(GF 值)可达 5-10,能够检测人体关节运动、呼吸等微小形变。
绝缘硅橡胶在高压输电、电子封装等领域具有重要应用。通过优化硅橡胶的分子结构和填料选择,可显著提高其绝缘性能。例如,采用高纯度的甲基乙烯基硅橡胶为基体,添加纳米级氧化铝(Al₂O₃)填料,利用氧化铝的高绝缘性和与硅橡胶的界面相互作用,形成致密的绝缘层。实验表明,添加 20 wt% 纳米 Al₂O₃的硅橡胶,其体积电阻率可达 10¹⁶ Ω・cm 以上,击穿场强超过 25 kV/mm,适用于高压电缆终端的绝缘密封。
介电硅橡胶在能量存储和转换领域展现出巨大潜力。通过调控硅橡胶的介电常数和损耗因子,可制备高性能介电材料。例如,将钛酸钡(BaTiO₃)纳米颗粒引入硅橡胶中,利用其铁电特性提高介电常数。当 BaTiO₃含量为 30 vol% 时,硅橡胶的介电常数可达 20-30,同时保持较低的介电损耗(tanδ < 0.05),适用于柔性超级电容器的介电层。此外,通过分子设计引入极性基团(如氰基),可进一步增强硅橡胶的介电性能。


缩合型模具硅胶

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