电焊型导电弹性体

电焊型导电弹性体

研究内容

柔性和可拉伸电子设备常因脆弱的电路互连而失效。我们开发了一种低电压（1.5至4.5伏）且快速（最快5秒）的电焊策略，可在环境条件下将刚性电子元件与柔性传感器集成到柔性电路中。这一策略通过设计由硼酸酯聚合物和导电填料组成的导电弹性体实现——该材料可自焊接，并能与金属、水凝胶及其他导电弹性体等多种材料产生焊接效应。焊接效应通过电化学反应触发界面粘合促进剂的暴露，或动态键的断裂/重构而产生。我们的方法可确保电路界面的机械顺应性和导电性，轻松实现千帕至兆帕级的焊接强度。所设计的导电弹性体结合电焊技术，为构建独立的柔性可拉伸电子设备提供了坚固平台，支持按需拆卸与组装。

这篇关于可电焊导电弹性体的研究提出多项突破性创新，核心创新点如下：

首创低压快速电焊策略：开发超低电压（1.5–4.5 V）、极短时间（最快5秒）的柔性电路集成电焊技术，可在环境条件下操作，无需复杂设备或高温高压环境。

新型导电弹性体材料设计：由硼酸酯动态聚合物与导电填料组成，兼具导电性、弹性、自焊接能力及多材料兼容性。

多材料普适性焊接能力：实现单一材料体系对金属、水凝胶、其他导电弹性体的跨界焊接，突破材料类型限制，解决异质材料集成难题。

动态键驱动的智能焊接机制：电流激活界面粘合促进剂暴露，动态共价键断裂/重组实现界面分子级融合，确保焊接界面高导电性与机械顺应性。

可调焊接强度与高可靠性：焊接强度覆盖千帕至兆帕级，满足不同场景需求，界面导电性稳定，能抵抗反复形变。

按需拆卸与重复组装功能：基于动态键可逆特性，支持非破坏性拆卸与重新焊接组装，为柔性设备维修、升级及模块化设计提供新范式。

全自主柔性电子制造平台：导电弹性体材料与电焊技术构成一体化解决方案，直接集成刚性电子元件与柔性传感器，构建无脆弱互连的独立柔性电路，解决设备故障问题。

总结：该研究通过分子设计与工艺创新，首次实现柔性电子器件的低压、快速、多材料普适性电焊。核心突破在于创造多功能材料、提出动态键电激活焊接新机制、实现可调焊接强度与按需拆卸功能。此技术为构建高可靠性、可重构的柔性电子系统提供颠覆性平台，有望推动可穿戴设备、软体机器人及生物集成电子革新。

研究背景

柔性和可拉伸电子设备作为多领域前沿技术，在材料和结构布局上持续发展。非导电聚合物、聚合物导体、半导体、液态金属、凝胶、弹性体电解质及导电弹性体（CEs）等，被广泛用于设备基底、电路等。蛇形、网状等结构布局使设备具备柔性和可拉伸性。但该设备长期受电路接口脆弱问题困扰，关键在于不同电子元件（含柔性传感器、可变形电子元件、市售刚性电子元件等）间的稳定互连。

导电弹性体是构建柔性和可拉伸电路的首选，包括本征型和外赋型。材料科学和制造技术进步推动其发展，但独立设备除可变形电路外，还包含多种电子元件，将导电弹性体与它们连接并确保界面性能仍是挑战。

金属焊接技术用于含导电弹性体设备的电路互连，但高温易损坏柔性基底和电路。导电胶策略存在界面粘合强度低等问题。自修复材料、液态金属和互锁微桥对独立电子元件粘附性有限。也有用非导电聚合物粘合剂增强界面粘合的尝试，如设计互穿导电纳米结构提供即插即用组装策略，但需预改性基底表面并控制粘合剂层厚度。柔性和可拉伸电子设备的实际应用和商业化取决于简便可靠的电路互连技术发展。

研究结果

图1. 导电硼酸酯弹性体（C-BPE）的设计与电焊概念；银-硼酸酯弹性体（Ag-BPE）的导电与机械性能。（A）C-BPE的制备流程：首先在水凝胶中负载导电填料制得导电水凝胶（C-BPH），随后进行简单干燥处理。（B）C-BPE自焊接、C-BPE/金属焊接、C-BPE/水凝胶焊接及C-BPE/导电弹性体（CE）焊接的步骤，（C）分子机制。（D）通过电焊技术将刚性电子元件与柔性传感器集成到可拉伸柔性设备中的示意图。（E）典型Ag-BPE薄膜的照片。（F）Ag-BPE中银薄片的堆叠几何结构。（G）拉伸打结后的Ag77%-BPE照片。（H）Ag-BPE的单轴拉伸应力-应变曲线，（I）表面电导率。数据与误差棒表示平均值与标准差（n=5）。

图2. Ag-BPE自焊接与Ag-BPE/金属焊接。（A）两块Ag-BPE电焊过程的照片记录。（B）Ag-BPE自焊接时界面电化学反应的示意图。（C）Ag-BPE/Ag-BPE焊接件的单轴拉伸应力-应变曲线，以及（D）Ag77%-BPE/Ag77%-BPE焊接件拉伸断裂前后的照片。（E）Ag77%-BPE/Ag77%-BPE焊接件在10,000次30°弯曲循环前（左）后（右）的照片。（F）Ag77%-BPE/Ag77%-BPE焊接件在循环30°弯曲过程中的单轴拉伸应力-应变曲线，以及（G）电流-电压（J-V）曲线。（H）Ag-BPE/Ag-BPE焊接件的照片及（I）剥离强度。（J）Ag-BPE/金属焊接的界面电化学反应示意图。（K）承重300克的Ag77%-BPE/Cu焊接件照片（焊接面积75平方毫米）。（L）Ag77%-BPE/金属焊接件的单轴拉伸应力-应变曲线。（M）Ag-BPE/Cu焊接件的焊接强度。数据和误差条表示平均值和标准差（n=5）。

图3. Ag-BPE/水凝胶焊接与Ag-BPE/导电弹性体（CE）焊接。（A）Ag-BPE/水凝胶焊接界面电化学反应的示意图。（B）焊接件照片：Ag77%-BPE/导电水凝胶（左）、Ag77%-BPE/聚丙烯酰胺-聚乙烯醇（中）、Ag77%-BPE/聚丙烯酰胺-琼脂糖（右）。（C）非对称拉伸、（D）剪切拉伸和（E）对称拉伸的单轴拉伸应力-应变曲线；插图为拉伸模式示意图。（F）重复30°弯曲对Ag77%-BPE/PAM-PVA/Ag77%-BPE焊接件对称拉伸性能的影响。（G）Ag77%-BPE/PAM-PVA/Ag77%-BPE焊接件在循环30°弯曲过程中横向（J-V曲线）和纵向（CV曲线）的电导率变化。（H）印刷Ag-BPE与印刷CE之间的电焊示意图及制备的焊接件。（I）单点焊接的印刷Ag77%-BPE/CE焊接件和（J）多点焊接的印刷Ag77%-BPE/C-碳焊接件的单轴拉伸应力-应变曲线。（K）通过印刷Ag77%-BPE电路与C-碳电路之间的多点焊接构建的柔性可拉伸电路照片；电路中还焊接了发光二极管（LED）以验证互连稳定性；比例尺：10毫米。数据和误差条表示平均值和标准差（n=5）。

图4. 通过电焊技术构建柔性可拉伸电子设备。（A）将印刷Ag77%-BPE焊接到包括芯片（左）、电阻（中）和发光二极管（LED，右）等刚性电子元件上制成的焊接件照片。（B）柔性逻辑照明设备的数字图像，以及（C）将其附着于手背部、由纽扣电池（3.6 V）供电独立工作的状态。（D）柔性光响应设备及其附着于拇指以监测抓握杯子动作的照片。（E）抓握杯子动作的电信号与光信号追踪。由固定模块（信号处理与传输）和可更换模块（柔性可拉伸传感器）构建的独立皮肤电子设备数字图像：（F）固定模块，（G-H）不同图案的应变传感器，（I）温度传感器。（J）将独立设备附着于手背部的状态，以及设备监测（K-L）握拳动作和（M）重复温度变化（36.545°C）时产生的信号（电阻变化）。比例尺：10毫米。

研究结论

金属电焊和塑料熔接本质是熔化物理过程，而我们提出的电焊概念是包含电化学反应与动态键反应的化学过程，其中动态键可逆反应由电化学反应编程。此方法能将导电弹性体焊接到不同导电材料及电子元件上，为柔性可拉伸电子领域界面粘附等难题提供一体化解决方案。与先前界面连接方法比，该电焊技术在材料适应性和操作简便性上表现优异（表S2）。因其焊接过程简单、快速且通用，在生物电子学、能量存储和机器人技术等领域或具潜在应用。此外，利用电化学策略触发或控制材料内部可逆反应以赋予新功能的概念已实现。

参考文献

10.1126/sciadv.adp0730