导电聚合物复合材料在软机器人、柔性传感器及储能中的研究进展：制备、应用与挑战

摘要

导电聚合物复合材料（Conductive Polymer Composites, CPCs）因其优异的导电性、机械柔性和可加工性，在软机器人、柔性传感器和储能领域展现出巨大潜力。本文全面综述了 CPCs 的材料组成、制备工艺、应用现状、失效模式、环境影响、面临的挑战及未来发展方向，旨在为相关领域的研究和应用提供参考。

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。与传统刚性材料相比，CPCs具有以下优势：（1）可通过调控填料种类与比例实现性能定制；（2）适应复杂形变，适用于动态环境；（3）兼容多种加工技术，如3D打印和电纺丝。然而，填料分散性差、界面失效及环境隐患等问题限制了其大规模应用。本文从材料设计、制备技术、应用场景及挑战等方面系统评述CPCs的研究进展。

2. 导电聚合物复合材料的组成与性能

2.1 基体与填料

CPCs的性能取决于基体与填料的协同作用（图1）。常用基体包括聚氨酯（PU）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等弹性体，提供结构支撑与形变能力；导电填料主要分为四类：

• 碳基材料：碳纳米管（CNTs）和石墨烯具有高导电性与比表面积，但易团聚；

• 金属填料：银纳米线（AgNWs）和铜纳米颗粒（CuNPs）导电性优异，但成本高且影响柔性；

• 本征导电聚合物（ICPs）：如聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPy），无需填料即可导电，但机械强度低；

• 新兴材料：新型二维材料、液态金属、MXene，兼具高导电性和自修复特性。

通过优化填料分散工艺（如超声处理、表面改性），可显著提升复合材料的电导率与力学性能。例如，Lin等将羧化丁苯橡胶（XSBR）与丝胶改性CNTs复合，制备的应变传感器导电率达0.071 S/m，拉伸率高达217%。

图1. 导电聚合物复合材料（CPC）的材料

2.2 性能调控策略

填料的逾渗阈值是决定CPCs导电性的关键因素。研究表明，当CNTs含量达到0.504 wt%时，复合材料电导率显著提升。此外，动态共价键（如Diels-Alder反应）的引入可实现材料的自修复功能。Roels等开发的自修复聚合物通过可逆交联网络，在60°C加热下修复效率超过90%。MXene的层状结构还为复合材料提供了优异的电磁屏蔽性能，Han等制备的MXene/PVDF泡沫在2.5-20 kPa压力范围内灵敏度达41.3 nA/kPa，远超传统压电材料。

3. 制备技术

3.1 增材制造技术

• 熔融沉积建模（FDM）：适用于热塑性材料，成本低但分辨率有限，阶梯效应影响表面质量。近年来，多材料FDM技术可集成导电与绝缘材料，实现4D打印功能。例如，热响应TPU/CB复合材料可通过温度触发形变，用于自适应抓取器。

• 立体光刻（SLA）：利用激光通过光聚合作用固化液态树脂来制造物体。其优点是打印分辨率高，但主要使用热固性聚合物，材料选择受限。热固性树脂的交联聚合物网络导致材料延展性和拉伸强度有限，制造的物体机械性能可能受到影响。

• 选择性激光烧结（SLS）：基于粉末床融合的增材制造技术，使用高能量激光逐层烧结颗粒材料形成三维物体。该技术的优势在于无需支撑结构，能制造具有良好尺寸精度的坚固部件。但材料选择范围窄，主要为半结晶聚合物，如聚酰胺；打印过程中易产生表面粗糙、材料浪费和尺寸不准确等问题，且高温会限制原材料选择，增加生产成本。

• 数字光处理（DLP）：通过光逐层固化光聚合树脂来制造复合结构。其自上而下的配置可避免层间和槽底的粘附问题，但氧气的存在会阻碍聚合反应。近年来，多槽 DLP 系统和材料切换等创新技术解决了单一材料的限制，可生产具有多种性能的多材料部件。
  

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

静电纺丝是一种制备纳米纤维的方法，通过静电力将聚合物溶液或熔体拉伸成纳米至微米级的纤维。该技术可制备轻质、高弹性的应变传感器，适用于可穿戴技术。但存在高电压要求、针头堵塞、纤维控制有限和产量低等问题，难以满足大规模工业应用需求。原位聚合是制备聚合物纳米复合材料，尤其是 CPCs 的常用方法。该方法将导电纳米材料悬浮在单体溶液中，引发聚合反应，使单体形成包裹纳米材料的聚合物基体，最后蒸发溶剂得到复合材料。利用原位聚合可制备高性能的柔性传感器，且该技术具有快速、简单、易于工业化生产等优点。

静电纺丝机理；原位聚合

4. 应用领域

4.1 软机器人

软机器人的发展依赖于软材料的机械柔韧性，CPCs 在软机器人领域应用广泛。如用羧化细菌纤维素和聚吡咯纳米粒子制备的高性能生物人工肌肉，具有 0.93% 的弯曲应变和 4 s 的快速响应时间，能在 0.5V 的超低电压下高效运行，可用于软机器人和生物医学设备。

此外，基于 CPCs 的软抓手和致动器不断涌现。如用（AgNPs - CNTs）和 PDMS 弹性体制备的软抓手，电极在 200% 应变和 100 次弯曲拉伸循环下仍能保持电性能，可通过电粘附力提起薄目标纸 。形状记忆聚合物（SMPs）作为软致动器具有诸多优势，如产生更高的应力输出、驱动电压低、设计制造简单且成本低。

( a)抓斗机器人置换塑料泡沫；(b)仿生医疗支架。电极层中含有 (c) 0 wt% CNT；(d) 15 wt% CNT；(e) 25 wt% CNT；(f) 35 wt% CNT 和(g) 40 wt% CNT 的软执行器（Rasouli et al., 2017）

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：柔性湿度传感器用于监测呼吸、皮肤湿度等生理参数，也用于电子皮肤和软机器人。如在 PVDF 多孔膜上沉积 PANI 制备的湿度传感器，响应时间快、滞后低，可用于监测呼吸和语音 。由磺化聚（醚醚酮）（SPEEK）和聚乙烯醇缩丁醛（PVB）复合纳米纤维制备的湿度传感器，响应时间小于 1 s，恢复时间为 5 s，灵敏度高。

4.3 储能装置

CPCs 在储能领域具有重要应用价值，基于 ICPs 和绝缘聚合物的 CPCs 可用于制造超级电容器和电池等储能设备。如用分层 PPy - CNT 电极和可拉伸双网络水凝胶电解质制备的 PPy / 碳全固态超级电容器，具有高电化学性能、机械稳定性和宽温度操作范围。

伪电容器基于导电聚合物，具有高电荷密度和低成本的优点，但循环稳定性较差。将导电聚合物与过渡金属氧化物复合，可提高其电化学性能。如 MnO₂ - PEDOT 同轴纳米线，具有高比电容和出色的电容保持率。

在锂离子电池中，导电聚合物可作为电极材料、改性材料或粘合剂，提高电池性能。如 PEDOT: PSS 可用于封装硫颗粒，提高 Li - S 电池性能。

5. 失效模式与挑战

5.1 软机器人

软机器人部件多由软聚合物制成，在生命周期内容易受到外部损伤，常见损伤模式包括界面脱粘、尖锐切割、疲劳、机械过载和紫外线降解等。制造过程中的差异可能导致材料界面薄弱，进而引发分层或界面脱粘；在恶劣环境中使用时，软机器人部件易被尖锐物体划伤，影响使用寿命；循环加载会使部件产生疲劳，微缺陷逐渐扩大最终导致失效；机械应力可能使聚合物材料过载破裂。

不过，自愈合聚合物为解决这些问题提供了有效途径。自愈合聚合物利用呋喃和马来酰亚胺基团之间的可逆 Diels - Alder 反应形成动态交联，损伤后这些键断裂，材料可弹性恢复，通过温和加热可使反应性基团扩散并重新形成交联，恢复材料性能。

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

石油基聚合物（如PE、PVC）难降解，生物基材料（如PLA）虽可降解但力学性能不足。金属填料（如AgNWs）可能释放有毒离子，Frenk等[26]研究表明，CuNPs会显著改变土壤微生物群落结构。碳基材料（如CNTs）的生物降解性差，但酶催化降解（如锰过氧化物酶）可部分解决此问题。绿色合成工艺（如植物源还原石墨烯）和机械回收是潜在解决方案。

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。

六、CPCs 的环境影响与可持续性

6.1 聚合物和添加剂的影响

聚合物来源多样，可分为生物质和石油来源，其生物降解性各不相同。生物质来源的可生物降解聚合物如聚乳酸（PLA）和聚羟基脂肪酸酯（PHA），在特定条件下可降解；而生物质来源的非生物降解聚合物如生物质 PE 和生物质聚氨酯（PU），以及石油来源的部分聚合物如聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）和聚对苯二甲酸乙二酯（PET）等，会造成塑料污染。

根据来源和生物降解性质对聚合物进行分类

金属和碳基添加剂可提高 CPCs 的导电性，但部分添加剂存在环境风险。如银纳米线（AgNWs）虽应用广泛，但会释放银离子，对生物体有毒性；铁纳米粒子（FeNPs）可用于土壤净化，但会改变环境条件，对微生物产生影响；碳基添加剂如 CNTs、石墨烯及其衍生物，生物降解性差，可能对动植物和土壤微生物有毒性。

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。

七、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。

八、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.