摘要

導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料（Conductive Polymer Composites, CPCs）因其優(yōu)異的導(dǎo)電性、機(jī)械柔性和可加工性，在軟機(jī)器人、柔性傳感器和儲(chǔ)能領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。本文全面綜述了 CPCs 的材料組成、制備工藝、應(yīng)用現(xiàn)狀、失效模式、環(huán)境影響、面臨的挑戰(zhàn)及未來(lái)發(fā)展方向，旨在為相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料；軟機(jī)器人；柔性傳感器；儲(chǔ)能；增材制造

1. 引言

導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料（CPCs）由聚合物基體與導(dǎo)電填料（如碳納米管、金屬納米顆粒等）復(fù)合而成，兼具高分子材料的柔韌性和填料的導(dǎo)電特性。近年來(lái)，隨著柔性電子和智能材料的發(fā)展，CPCs在軟機(jī)器人、可穿戴傳感器和柔性儲(chǔ)能裝置中的應(yīng)用備受關(guān)注。與傳統(tǒng)剛性材料相比，CPCs具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）可通過(guò)調(diào)控填料種類與比例實(shí)現(xiàn)性能定制；（2）適應(yīng)復(fù)雜形變，適用于動(dòng)態(tài)環(huán)境；（3）兼容多種加工技術(shù)，如3D打印和電紡絲。然而，填料分散性差、界面失效及環(huán)境隱患等問(wèn)題限制了其大規(guī)模應(yīng)用。本文從材料設(shè)計(jì)、制備技術(shù)、應(yīng)用場(chǎng)景及挑戰(zhàn)等方面系統(tǒng)評(píng)述CPCs的研究進(jìn)展。

2. 導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的組成與性能

2.1 基體與填料

CPCs的性能取決于基體與填料的協(xié)同作用（圖1）。常用基體包括聚氨酯（PU）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等彈性體，提供結(jié)構(gòu)支撐與形變能力；導(dǎo)電填料主要分為四類：

• 碳基材料：碳納米管（CNTs）和石墨烯具有高導(dǎo)電性與比表面積，但易團(tuán)聚；

• 金屬填料：銀納米線（AgNWs）和銅納米顆粒（CuNPs）導(dǎo)電性優(yōu)異，但成本高且影響柔性；

• 本征導(dǎo)電聚合物（ICPs）：如聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPy），無(wú)需填料即可導(dǎo)電，但機(jī)械強(qiáng)度低；

• 新興材料：新型二維材料、液態(tài)金屬、MXene，兼具高導(dǎo)電性和自修復(fù)特性。

通過(guò)優(yōu)化填料分散工藝（如超聲處理、表面改性），可顯著提升復(fù)合材料的電導(dǎo)率與力學(xué)性能。例如，Lin等將羧化丁苯橡膠（XSBR）與絲膠改性CNTs復(fù)合，制備的應(yīng)變傳感器導(dǎo)電率達(dá)0.071 S/m，拉伸率高達(dá)217%。

圖1. 導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料（CPC）的材料

2.2 性能調(diào)控策略

填料的逾滲閾值是決定CPCs導(dǎo)電性的關(guān)鍵因素。研究表明，當(dāng)CNTs含量達(dá)到0.504 wt%時(shí)，復(fù)合材料電導(dǎo)率顯著提升。此外，動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵（如Diels-Alder反應(yīng)）的引入可實(shí)現(xiàn)材料的自修復(fù)功能。Roels等開(kāi)發(fā)的自修復(fù)聚合物通過(guò)可逆交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，在60°C加熱下修復(fù)效率超過(guò)90%。MXene的層狀結(jié)構(gòu)還為復(fù)合材料提供了優(yōu)異的電磁屏蔽性能，Han等制備的MXene/PVDF泡沫在2.5-20 kPa壓力范圍內(nèi)靈敏度達(dá)41.3 nA/kPa，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)壓電材料。

3. 制備技術(shù)

3.1 增材制造技術(shù)

• 熔融沉積建模（FDM）：適用于熱塑性材料，成本低但分辨率有限，階梯效應(yīng)影響表面質(zhì)量。近年來(lái)，多材料FDM技術(shù)可集成導(dǎo)電與絕緣材料，實(shí)現(xiàn)4D打印功能。例如，熱響應(yīng)TPU/CB復(fù)合材料可通過(guò)溫度觸發(fā)形變，用于自適應(yīng)抓取器。

• 立體光刻（SLA）：利用激光通過(guò)光聚合作用固化液態(tài)樹(shù)脂來(lái)制造物體。其優(yōu)點(diǎn)是打印分辨率高，但主要使用熱固性聚合物，材料選擇受限。熱固性樹(shù)脂的交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致材料延展性和拉伸強(qiáng)度有限，制造的物體機(jī)械性能可能受到影響。

• 選擇性激光燒結(jié)（SLS）：基于粉末床融合的增材制造技術(shù)，使用高能量激光逐層燒結(jié)顆粒材料形成三維物體。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需支撐結(jié)構(gòu)，能制造具有良好尺寸精度的堅(jiān)固部件。但材料選擇范圍窄，主要為半結(jié)晶聚合物，如聚酰胺；打印過(guò)程中易產(chǎn)生表面粗糙、材料浪費(fèi)和尺寸不準(zhǔn)確等問(wèn)題，且高溫會(huì)限制原材料選擇，增加生產(chǎn)成本。

• 數(shù)字光處理（DLP）：通過(guò)光逐層固化光聚合樹(shù)脂來(lái)制造復(fù)合結(jié)構(gòu)。其自上而下的配置可避免層間和槽底的粘附問(wèn)題，但氧氣的存在會(huì)阻礙聚合反應(yīng)。近年來(lái)，多槽 DLP 系統(tǒng)和材料切換等創(chuàng)新技術(shù)解決了單一材料的限制，可生產(chǎn)具有多種性能的多材料部件。
  

增材制造技術(shù)：（a） Fdm，（b） SLA，（c） SLS 和（d） DLP

3.2 電紡絲與原位聚合

靜電紡絲是一種制備納米纖維的方法，通過(guò)靜電力將聚合物溶液或熔體拉伸成納米至微米級(jí)的纖維。該技術(shù)可制備輕質(zhì)、高彈性的應(yīng)變傳感器，適用于可穿戴技術(shù)。但存在高電壓要求、針頭堵塞、纖維控制有限和產(chǎn)量低等問(wèn)題，難以滿足大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用需求。原位聚合是制備聚合物納米復(fù)合材料，尤其是 CPCs 的常用方法。該方法將導(dǎo)電納米材料懸浮在單體溶液中，引發(fā)聚合反應(yīng)，使單體形成包裹納米材料的聚合物基體，最后蒸發(fā)溶劑得到復(fù)合材料。利用原位聚合可制備高性能的柔性傳感器，且該技術(shù)具有快速、簡(jiǎn)單、易于工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

靜電紡絲機(jī)理；原位聚合

4. 應(yīng)用領(lǐng)域

4.1 軟機(jī)器人

軟機(jī)器人的發(fā)展依賴于軟材料的機(jī)械柔韌性，CPCs 在軟機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。如用羧化細(xì)菌纖維素和聚吡咯納米粒子制備的高性能生物人工肌肉，具有 0.93% 的彎曲應(yīng)變和 4 s 的快速響應(yīng)時(shí)間，能在 0.5V 的超低電壓下高效運(yùn)行，可用于軟機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。

此外，基于 CPCs 的軟抓手和致動(dòng)器不斷涌現(xiàn)。如用（AgNPs - CNTs）和 PDMS 彈性體制備的軟抓手，電極在 200% 應(yīng)變和 100 次彎曲拉伸循環(huán)下仍能保持電性能，可通過(guò)電粘附力提起薄目標(biāo)紙 。形狀記憶聚合物（SMPs）作為軟致動(dòng)器具有諸多優(yōu)勢(shì)，如產(chǎn)生更高的應(yīng)力輸出、驅(qū)動(dòng)電壓低、設(shè)計(jì)制造簡(jiǎn)單且成本低。

( a)抓斗機(jī)器人置換塑料泡沫；(b)仿生醫(yī)療支架。電極層中含有 (c) 0 wt% CNT；(d) 15 wt% CNT；(e) 25 wt% CNT；(f) 35 wt% CNT 和(g) 40 wt% CNT 的軟執(zhí)行器（Rasouli et al., 2017）

4.2 柔性傳感器

CPCs 可用于制造檢測(cè)壓力、應(yīng)變、溫度和濕度的柔性傳感器，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

• 壓力傳感器：通過(guò)在多孔基質(zhì)上涂覆導(dǎo)電材料可提高壓力傳感器性能。如用 CNT 涂覆的微孔 PDMS 海綿制備的柔性壓力傳感器，能檢測(cè) 10 Pa 至 1.2 MPa 的壓力，靈敏度高，可集成到鞋墊中用于臨床和運(yùn)動(dòng)應(yīng)用 。碳基添加劑如 CNT、rGO 和 CB 在柔性壓力傳感器中應(yīng)用廣泛，不同聚合物和填料組合可實(shí)現(xiàn)不同性能。

• 應(yīng)變傳感器：CPC 基應(yīng)變傳感器用于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)和醫(yī)療保健等領(lǐng)域。如用 SLS 制備的含石墨烯的 TPU 應(yīng)變傳感器，應(yīng)變系數(shù)高達(dá) 668，穩(wěn)定性好 。CNTs 獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其成為應(yīng)變傳感器的理想材料，不同的制備方法和填料組合可制備出具有不同性能的應(yīng)變傳感器。

• 溫度傳感器：用石墨和 PDMS 復(fù)合材料制備的柔性溫度傳感器，對(duì)溫度敏感，可用于智能機(jī)器人的人造皮膚 。用原位生長(zhǎng) PEDOT 熱層涂覆 TPU 纖維制備的溫度傳感器，靈敏度高，可用于監(jiān)測(cè)人體溫度 。此外，基于聚乳酸（PLA）、rGO 和低密度聚乙烯（LDPE）的溫度傳感器，具有良好的靈敏度和穩(wěn)定性。

• 濕度傳感器：柔性濕度傳感器用于監(jiān)測(cè)呼吸、皮膚濕度等生理參數(shù)，也用于電子皮膚和軟機(jī)器人。如在 PVDF 多孔膜上沉積 PANI 制備的濕度傳感器，響應(yīng)時(shí)間快、滯后低，可用于監(jiān)測(cè)呼吸和語(yǔ)音 。由磺化聚（醚醚酮）（SPEEK）和聚乙烯醇縮丁醛（PVB）復(fù)合納米纖維制備的濕度傳感器，響應(yīng)時(shí)間小于 1 s，恢復(fù)時(shí)間為 5 s，靈敏度高。

4.3 儲(chǔ)能裝置

CPCs 在儲(chǔ)能領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值，基于 ICPs 和絕緣聚合物的 CPCs 可用于制造超級(jí)電容器和電池等儲(chǔ)能設(shè)備。如用分層 PPy - CNT 電極和可拉伸雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠電解質(zhì)制備的 PPy / 碳全固態(tài)超級(jí)電容器，具有高電化學(xué)性能、機(jī)械穩(wěn)定性和寬溫度操作范圍。

偽電容器基于導(dǎo)電聚合物，具有高電荷密度和低成本的優(yōu)點(diǎn)，但循環(huán)穩(wěn)定性較差。將導(dǎo)電聚合物與過(guò)渡金屬氧化物復(fù)合，可提高其電化學(xué)性能。如 MnO? - PEDOT 同軸納米線，具有高比電容和出色的電容保持率。

在鋰離子電池中，導(dǎo)電聚合物可作為電極材料、改性材料或粘合劑，提高電池性能。如 PEDOT: PSS 可用于封裝硫顆粒，提高 Li - S 電池性能。

5. 失效模式與挑戰(zhàn)

5.1 軟機(jī)器人

軟機(jī)器人部件多由軟聚合物制成，在生命周期內(nèi)容易受到外部損傷，常見(jiàn)損傷模式包括界面脫粘、尖銳切割、疲勞、機(jī)械過(guò)載和紫外線降解等。制造過(guò)程中的差異可能導(dǎo)致材料界面薄弱，進(jìn)而引發(fā)分層或界面脫粘；在惡劣環(huán)境中使用時(shí)，軟機(jī)器人部件易被尖銳物體劃傷，影響使用壽命；循環(huán)加載會(huì)使部件產(chǎn)生疲勞，微缺陷逐漸擴(kuò)大最終導(dǎo)致失效；機(jī)械應(yīng)力可能使聚合物材料過(guò)載破裂。

不過(guò)，自愈合聚合物為解決這些問(wèn)題提供了有效途徑。自愈合聚合物利用呋喃和馬來(lái)酰亞胺基團(tuán)之間的可逆 Diels - Alder 反應(yīng)形成動(dòng)態(tài)交聯(lián)，損傷后這些鍵斷裂，材料可彈性恢復(fù)，通過(guò)溫和加熱可使反應(yīng)性基團(tuán)擴(kuò)散并重新形成交聯(lián)，恢復(fù)材料性能。

5.2 柔性傳感器

柔性傳感器在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生變形，可能導(dǎo)致輕微到嚴(yán)重的損壞甚至失效。其失效形式包括界面失效、疲勞失效、強(qiáng)度失效和電氣失效。界面失效如滑移和分層，在拉伸和彎曲過(guò)程中容易出現(xiàn)；疲勞失效由重復(fù)機(jī)械應(yīng)力引起，會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、積累和裂紋形成；強(qiáng)度失效包括彎曲、拉伸和沖擊引起的失效，多層結(jié)構(gòu)材料特性差異也會(huì)導(dǎo)致此類失效；電氣失效則會(huì)影響傳感器的檢測(cè)精度和可靠性。

5.3 環(huán)境與可持續(xù)性

石油基聚合物（如PE、PVC）難降解，生物基材料（如PLA）雖可降解但力學(xué)性能不足。金屬填料（如AgNWs）可能釋放有毒離子，F(xiàn)renk等[26]研究表明，CuNPs會(huì)顯著改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。碳基材料（如CNTs）的生物降解性差，但酶催化降解（如錳過(guò)氧化物酶）可部分解決此問(wèn)題。綠色合成工藝（如植物源還原石墨烯）和機(jī)械回收是潛在解決方案。

5.4 制造成本與規(guī)模化

先進(jìn)制造技術(shù)（如DLP、SLS）設(shè)備成本高昂，且生產(chǎn)效率低。例如，電紡絲納米纖維的工業(yè)量產(chǎn)仍面臨產(chǎn)量低、針頭堵塞等問(wèn)題。多針頭電紡雖提升產(chǎn)量，但電場(chǎng)干擾導(dǎo)致纖維均勻性下降。

六、CPCs 的環(huán)境影響與可持續(xù)性

6.1 聚合物和添加劑的影響

聚合物來(lái)源多樣，可分為生物質(zhì)和石油來(lái)源，其生物降解性各不相同。生物質(zhì)來(lái)源的可生物降解聚合物如聚乳酸（PLA）和聚羥基脂肪酸酯（PHA），在特定條件下可降解；而生物質(zhì)來(lái)源的非生物降解聚合物如生物質(zhì) PE 和生物質(zhì)聚氨酯（PU），以及石油來(lái)源的部分聚合物如聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）和聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）等，會(huì)造成塑料污染。

根據(jù)來(lái)源和生物降解性質(zhì)對(duì)聚合物進(jìn)行分類

金屬和碳基添加劑可提高 CPCs 的導(dǎo)電性，但部分添加劑存在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。如銀納米線（AgNWs）雖應(yīng)用廣泛，但會(huì)釋放銀離子，對(duì)生物體有毒性；鐵納米粒子（FeNPs）可用于土壤凈化，但會(huì)改變環(huán)境條件，對(duì)微生物產(chǎn)生影響；碳基添加劑如 CNTs、石墨烯及其衍生物，生物降解性差，可能對(duì)動(dòng)植物和土壤微生物有毒性。

6.2 控制策略

為減少 CPCs 對(duì)環(huán)境的影響，可采用多種可持續(xù)處理方法。機(jī)械回收是常用的塑料回收方法，適用于非生物降解聚合物，但存在材料降解問(wèn)題；化學(xué)回收如熱解和解聚，可將聚合物分解為單體或生物油，重新合成新聚合物，更具通用性。

對(duì)于添加劑，可采用綠色合成方法減少其環(huán)境影響。如用單寧酸輔助光合成 AgNWs，可實(shí)現(xiàn)低影響、高效生產(chǎn) 。此外，酶、真菌和細(xì)菌可用于降解碳基添加劑，回收的炭黑可用于鋰離子電池、太陽(yáng)能蒸發(fā)設(shè)備等，減少其對(duì)環(huán)境的危害。

七、CPCs 的局限性與展望

盡管 CPCs 在多個(gè)領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。在柔性傳感器和軟機(jī)器人部件中，粒子在聚合物基質(zhì)中易發(fā)生泄漏，影響設(shè)備性能，目前的封裝技術(shù)依賴特定應(yīng)用，需要進(jìn)一步研究通用有效的封裝方法。

部分填料如 CNTs，因強(qiáng)范德華力易團(tuán)聚，影響其在聚合物基質(zhì)中的分散性，雖然在某些應(yīng)用中團(tuán)聚可能有積極作用，但總體上仍需要解決均勻分散問(wèn)題。CPCs 的制造和固化過(guò)程復(fù)雜，成本高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。增材制造技術(shù)雖有潛力，但存在初始投資成本高、機(jī)械性能妥協(xié)和適用性受限等問(wèn)題。此外，導(dǎo)電聚合物致動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間較慢，力生成能力有限；CPCs 在儲(chǔ)能領(lǐng)域的能量密度低于傳統(tǒng)電池，且長(zhǎng)期性能受電解質(zhì)分解和電極材料溶解等因素影響。

未來(lái)，應(yīng)致力于開(kāi)發(fā)低成本、高效的制造方法，提高 CPCs 的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和能量密度，增強(qiáng)其在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性。同時(shí)，需要加強(qiáng)對(duì) CPCs 失效機(jī)制的研究，開(kāi)發(fā)更有效的封裝和保護(hù)技術(shù)，推動(dòng) CPCs 在多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

八、結(jié)論

導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料在軟機(jī)器人、柔性傳感器和儲(chǔ)能領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，但也面臨諸多挑戰(zhàn)。在軟機(jī)器人方面，需提高部件的穩(wěn)定性和疲勞抗性，優(yōu)化傳感和致動(dòng)功能集成；柔性傳感器要解決因重復(fù)使用導(dǎo)致的裂紋和失效問(wèn)題，提高精度和可靠性；儲(chǔ)能領(lǐng)域則需提升能量密度，解決電解質(zhì)和電極相關(guān)問(wèn)題。

通過(guò)深入研究 CPCs 的失效模式、環(huán)境影響和可持續(xù)性，開(kāi)發(fā)先進(jìn)的制造技術(shù)和材料，有望克服這些挑戰(zhàn)，推動(dòng) CPCs 在各領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，為未來(lái)的科技進(jìn)步提供有力支持。

原始文獻(xiàn)：

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.