导电聚合物复合材料: 制造，应用和未来挑战
リリース時間：
2025.09.01
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摘要关键词：导电聚合物复合材料；软机器人；柔性传感器；储能；增材制造
1. 引言
导电聚合物复合材料（CPCs）由聚合物基体与导电填料（如碳纳米管、金属纳米颗粒等）复合而成，兼具高分子材料的柔韧性和填料的导电特性。近年来，随着柔性电子和智能材料的发展，CPCs在软机器人、可穿戴传感器和柔性储能装置中的应用备受关注。
2. 导电聚合物复合材料的组成与性能
2.1 基体与填料
图1. 导电聚合物复合材料（CPC）的材料
2.2 性能调控策略
3. 制备技术
3.1 增材制造技术
增材制造技术：（a） Fdm，（b） SLA，（c） SLS 和（d） DLP
3.2 电纺丝与原位聚合
4. 应用领域
4.1 软机器人
4.2 柔性传感器
CPCs 可用于制造检测压力、应变、温度和湿度的柔性传感器，并将其转换为电信号进行实时监测。
压力传感器：通过在多孔基质上[HESION]涂覆导电材料可提高压力传感器性能。如用 CNT 涂覆的微孔 PDMS 海绵制备的柔性压力传感器，能检测 10 Pa 至 1.2 MPa 的压力，灵敏度高，可集成到鞋垫中用于临床和运动应用 。
碳基添加剂如 CNT、rGO 和 CB 在柔性压力传感器中应用广泛，不同聚合物和填料组合可实现不同性能。
应变传感器：CPC 基应变传感器用于运动检测、结构监测和医疗保健等领域。如用 SLS 制备的含石墨烯的 TPU 应变传感器，应变系数高达 668，稳定性好 。CNTs 独特的结构使其成为应变传感器的理想材料，不同的制备方法和填料组合[HESION]可制备出具有不同性能的应变传感器。 
温度传感器：
用石墨和 PDMS 复合材料制备的柔性温度传感器，对温度敏感，可用于智能机器人的人造皮肤 。用原位生长 PEDOT 热层涂覆 TPU 纤维制备的温度传感器，灵敏度高，可用于监测人体温度 。此外，基于聚乳酸（PLA）、rGO 和低密度聚乙烯（LDPE）的温度传感器，具有良好的灵敏度和稳定性。 
湿度传感器：
4.3 储能装置
5. 失效模式与挑战
5.1 软机器人
5.2 柔性传感器
柔性传感器在运行过程中会发生变形，可能导致轻微到严重的损坏甚至失效。其失效形式包括界面失效、疲劳失效、强度失效和电气失效。界面失效如滑移和分层，在拉伸和弯曲过程中容易出现；疲劳失效由重复机械应力引起，会导致材料内部位错运动、积累和裂纹形成；强度失效包括弯曲、拉伸和冲击引起的失效，多层结构材料特性差异也会导致此类失效；电气失效则会影响传感器的检测精度和可靠性。
5.3 环境与可持续性
5.4 制造成本与规模化
先进制造技术（如DLP、SLS）设备成本高昂，且生产效率低。例如，电纺丝纳米纤维的工业量产仍面临产量低、针头堵塞等问题。多针头电纺虽提升产量，但电场干扰导致纤维均匀性下降。
6、CPCs 的环境影响与可持续性
6.1 聚合物和添加剂的影响
6.2 控制策略
为减少 CPCs 对环境的影响，可采用多种可持续处理方法。机械回收是常用的塑料回收方法，适用于非生物降解聚合物，但存在材料降解问题；化学回收如热解和解聚，可将聚合物分解为单体或生物油，重新合成新聚合物，更具通用性。 对于添加剂，可采用绿色合成方法减少其环境影响。如用单宁酸辅助光合成 AgNWs，可实现低影响、高效生产 。此外，酶、真菌和细菌可用于降解碳基添加剂，回收的炭黑可用于锂离子电池、太阳能蒸发设备等，减少其对环境的危害。
7、CPCs 的局限性与展望
尽管 CPCs 在多个领域取得了显著进展，但仍面临一些挑战。在柔性传感器和软机器人部件中，粒子在聚合物基质中易发生泄漏，影响设备性能，目前的封装技术依赖特定应用，需要进一步研究通用有效的封装方法。 部分填料如 CNTs，因强范德华力易团聚，影响其在聚合物基质中的分散性，虽然在某些应用中团聚可能有积极作用，但总体上仍需要解决均匀分散问题。CPCs 的制造和固化过程复杂，成本高，限制了其大规模应用。增材制造技术虽有潜力，但存在初始投资成本高、机械性能妥协和适用性受限等问题。此外，导电聚合物致动器响应时间较慢，力生成能力有限；CPCs 在储能领域的能量密度低于传统电池，且长期性能受电解质分解和电极材料溶解等因素影响。
未来，应致力于开发低成本、高效的制造方法，提高 CPCs 的长期稳定性和能量密度，增强其在复杂环境下的适应性。同时，需要加强对 CPCs 失效机制的研究，开发更有效的封装和保护技术，推动 CPCs 在多领域的广泛应用。
8、结论
导电聚合物复合材料在软机器人、柔性传感器和储能领域展现出巨大的应用潜力，但也面临诸多挑战。在软机器人方面，需提高部件的稳定性和疲劳抗性，优化传感和致动功能集成；柔性传感器要解决因重复使用导致的裂纹和失效问题，提高精度和可靠性；储能领域则需提升能量密度，解决电解质和电极相关问题。 通过深入研究 CPCs 的失效模式、环境影响和可持续性，开发先进的制造技术和材料，有望克服这些挑战，推动 CPCs 在各领域的进一步发展，为未来的科技进步提供有力支持。
原始文献： Hassan Tawsif Tazwar, Maisha Farzana Antora, Itmam Nowroj, Adib Bin Rashid, Conductive polymer composites in soft robotics, flexible sensors and energy storage: Fabrication, applications and challenges, Biosensors and Bioelectronics: X, Volume 24, 2025, 100597, ISSN 2590-1370, https://doi.org/10.1016/j.biosx.2025.100597.
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