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Mechanically Strong and Multifunctional Hybrid Hydrogels with Ultrahigh Electrical Conductivity

自愈水凝胶 材料科学 极限抗拉强度 电阻率和电导率 纳米纤维 聚乙烯醇 电导率 复合材料 导电体 纳米技术 高分子化学 电气工程 工程类 物理化学 化学
作者
Qingya Zhou,Jiayu Lyu,Guang Wang,Mark Robertson,Zhe Qiang,Bin Sun,Changhuai Ye,Meifang Zhu
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:31 (40) 被引量:196
标识
DOI:10.1002/adfm.202104536
摘要

Abstract Stretchable conductive hydrogels with simultaneous high mechanical strength/modulus, and ultrahigh, stable electrical conductivity are ideal for applications in soft robots, artificial skin, and bioelectronics, but to date, they are still very challenging to fabricate. Herein, sandwich‐structured hybrid hydrogels based on layers of aramid nanofibers (ANFs) reinforced polyvinyl alcohol (PVA) hydrogels and a layer of silver nanowires (AgNWs)/PVA are fabricated by electrospinning combined with vacuum‐assisted filtration. The hybrid ANF‐PVA hydrogels exhibit excellent mechanical properties with the tensile modulus of 10.7–15.4 MPa, tensile strength of 3.3–5.5 MPa, and fracture energy up to 5.7 kJ m −2 , primarily attributed to the strong hydrogen bonding interactions between PVA and ANFs and in‐plane alignment of the fibrous structure. Rational design of heterogeneous structure endows the hydrogels with ultrahigh apparent electrical conductivity of 1.66 × 10 4 S m −1 , among the highest electrical conductivities ever reported so far for conductive hydrogels. More importantly, this ultrahigh conductivity remains constant upon a broad range of applied strains from 0–90% and over 500 stretching cycles. Furthermore, the hydrogels exhibit excellent Joule heating and electromagnetic interference shielding performances due to the ultrahigh electrical conductivity. These mechanically strong, hybrid hydrogels with ultrahigh and strain‐invariant electrical conductivity represent great promises for many important applications such as flexible electronics.
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