弹性高介电纳米复合材料耦合可拉伸导电粘合剂用于电容式力传感器的界面工程研究

为解决可穿戴电子器件和仿生传感器中电极-介电界面稳定性不足的问题，研究人员通过开发硅基可拉伸导电粘合剂(SCA)电极与碳黑(CB)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合介电层的强界面粘附，实现了在346 kPa高压下仍保持0.2%信号漂移的稳定电容响应。该研究为高性能柔性传感器设计提供了关键界面优化策略。

　　

随着柔性电子和仿生机器人技术的快速发展，对兼具高灵敏度和机械适应性的力传感器需求日益迫切。传统介电弹性体材料面临两大核心挑战：一是低介电常数导致灵敏度受限，二是电极-介电层界面在机械形变下易发生剥离失效。尽管先前研究已通过掺入钛酸钡等陶瓷填料或优化碳纳米管(CNTs)排列提升了介电性能，但界面极化稳定性这一关键问题始终未被系统解决。

韩国国家研究基金会(National Research Foundation of Korea)支持的研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表突破性成果。研究人员创新性地采用十八烷基三甲氧基硅烷(ODTMS)修饰的碳黑(CB_2wt%)与PDMS复合，结合硅基可拉伸导电粘合剂(SCA)电极，构建出界面稳定的电容传感器。通过Maxwell-Garnett理论模型优化填料体积分数，在仅2wt% CB负载下实现介电常数140和损耗因子0.20（100Hz）。

关键技术包括：1）ODTMS表面修饰CB改善分散性；2）SCA电极与介电层的共形界面构建；3）346 kPa高压循环测试平台；4）1.5 cm弯曲半径下的电容响应表征。研究通过对比溅射铂电极、液态金属电极等对照组，系统评估了界面粘附对性能的影响。

Fabrication of elastomeric high-κ nanocomposites
通过ODTMS(1.18 mmol)功能化CB_2wt%/PDMS体系，利用空间电荷极化效应提升介电性能。理论计算表明填料体积分数V₂与介电常数ε_m符合Maxwell-Garnett方程：ε_m=ε₁(2ε₁+ε₂+2V₂(ε₂-ε₁))/(2ε₁+ε₂-2V₂(ε₂-ε₁))。

Conclusion
研究证实SCA电极通过强界面粘附能有效维持极化稳定性，在万次压力循环后信号漂移<0.2%，弯曲工况下电容响应偏差<5%。这种界面工程策略突破了传统柔性传感器在高机械应力下的失效瓶颈，为医疗监测电子皮肤和人机交互界面提供了新范式。

该成果的创新性在于首次阐明电极-介电界面粘附强度与空间电荷极化的耦合机制，通过SCA的机械适配性解决了高κ材料与电极的形变失配问题。Youngpyo Ko等作者指出，该技术可扩展至其他弹性体体系，为下一代柔性电子器件设计奠定理论基础。