摘要

導電聚合物復合材料（Conductive Polymer Composites, CPCs）因其優異的導電性、機械柔性和可加工性，在軟機器人、柔性傳感器和儲能領域展現出巨大潛力。本文全面綜述了 CPCs 的材料組成、制備工藝、應用現狀、失效模式、環境影響、面臨的挑戰及未來發展方向，旨在為相關領域的研究和應用提供參考。

關鍵詞：導電聚合物復合材料；軟機器人；柔性傳感器；儲能；增材制造

1. 引言

導電聚合物復合材料（CPCs）由聚合物基體與導電填料（如碳納米管、金屬納米顆粒等）復合而成，兼具高分子材料的柔韌性和填料的導電特性。近年來，隨著柔性電子和智能材料的發展，CPCs在軟機器人、可穿戴傳感器和柔性儲能裝置中的應用備受關注。與傳統剛性材料相比，CPCs具有以下優勢：（1）可通過調控填料種類與比例實現性能定制；（2）適應復雜形變，適用于動態環境；（3）兼容多種加工技術，如3D打印和電紡絲。然而，填料分散性差、界面失效及環境隱患等問題限制了其大規模應用。本文從材料設計、制備技術、應用場景及挑戰等方面系統評述CPCs的研究進展。

2. 導電聚合物復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，提供結構支撐與形變能力；導電填料主要分為四類：

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

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

• 本征導電聚合物（ICPs）：如聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPy），無需填料即可導電，但機械強度低；

• 新興材料：新型二維材料、液態金屬、MXene，兼具高導電性和自修復特性。

通過優化填料分散工藝（如超聲處理、表面改性），可顯著提升復合材料的電導率與力學性能。例如，Lin等將羧化丁苯橡膠（XSBR）與絲膠改性CNTs復合，制備的應變傳感器導電率達0.071 S/m，拉伸率高達217%。

圖1. 導電聚合物復合材料（CPC）的材料

2.2 性能調控策略

填料的逾滲閾值是決定CPCs導電性的關鍵因素。研究表明，當CNTs含量達到0.504 wt%時，復合材料電導率顯著提升。此外，動態共價鍵（如Diels-Alder反應）的引入可實現材料的自修復功能。Roels等開發的自修復聚合物通過可逆交聯網絡，在60°C加熱下修復效率超過90%。MXene的層狀結構還為復合材料提供了優異的電磁屏蔽性能，Han等制備的MXene/PVDF泡沫在2.5-20 kPa壓力范圍內靈敏度達41.3 nA/kPa，遠超傳統壓電材料。

3. 制備技術

3.1 增材制造技術

• 熔融沉積建模（FDM）：適用于熱塑性材料，成本低但分辨率有限，階梯效應影響表面質量。近年來，多材料FDM技術可集成導電與絕緣材料，實現4D打印功能。例如，熱響應TPU/CB復合材料可通過溫度觸發形變，用于自適應抓取器。

• 立體光刻（SLA）：利用激光通過光聚合作用固化液態樹脂來制造物體。其優點是打印分辨率高，但主要使用熱固性聚合物，材料選擇受限。熱固性樹脂的交聯聚合物網絡導致材料延展性和拉伸強度有限，制造的物體機械性能可能受到影響。

• 選擇性激光燒結（SLS）：基于粉末床融合的增材制造技術，使用高能量激光逐層燒結顆粒材料形成三維物體。該技術的優勢在于無需支撐結構，能制造具有良好尺寸精度的堅固部件。但材料選擇范圍窄，主要為半結晶聚合物，如聚酰胺；打印過程中易產生表面粗糙、材料浪費和尺寸不準確等問題，且高溫會限制原材料選擇，增加生產成本。

• 數字光處理（DLP）：通過光逐層固化光聚合樹脂來制造復合結構。其自上而下的配置可避免層間和槽底的粘附問題，但氧氣的存在會阻礙聚合反應。近年來，多槽 DLP 系統和材料切換等創新技術解決了單一材料的限制，可生產具有多種性能的多材料部件。
  

增材制造技術：（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，通過靜電力將聚合物溶液或熔體拉伸成納米至微米級的纖維。該技術可制備輕質、高彈性的應變傳感器，適用于可穿戴技術。但存在高電壓要求、針頭堵塞、纖維控制有限和產量低等問題，難以滿足大規模工業應用需求。原位聚合是制備聚合物納米復合材料，尤其是 CPCs 的常用方法。該方法將導電納米材料懸浮在單體溶液中，引發聚合反應，使單體形成包裹納米材料的聚合物基體，最后蒸發溶劑得到復合材料。利用原位聚合可制備高性能的柔性傳感器，且該技術具有快速、簡單、易于工業化生產等優點。

靜電紡絲機理；原位聚合

4. 應用領域

4.1 軟機器人

軟機器人的發展依賴于軟材料的機械柔韌性，CPCs 在軟機器人領域應用廣泛。如用羧化細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% 的彎曲應變和 4 s 的快速響應時間，能在 0.5V 的超低電壓下高效運行，可用于軟機器人和生物醫學設備。

此外，基于 CPCs 的軟抓手和致動器不斷涌現。如用（AgNPs - CNTs）和 PDMS 彈性體制備的軟抓手，電極在 200% 應變和 100 次彎曲拉伸循環下仍能保持電性能，可通過電粘附力提起薄目標紙 。形狀記憶聚合物（SMPs）作為軟致動器具有諸多優勢，如產生更高的應力輸出、驅動電壓低、設計制造簡單且成本低。

( a)抓斗機器人置換塑料泡沫；(b)仿生醫療支架。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 的軟執行器（Rasouli et al., 2017）

4.2 柔性傳感器

CPCs 可用于制造檢測壓力、應變、溫度和濕度的柔性傳感器，并將其轉換為電信號進行實時監測。

• 壓力傳感器：通過在多孔基質上涂覆導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 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動應用 。碳基添加劑如 CNT、rGO 和 CB 在柔性壓力傳感器中應用廣泛，不同聚合物和填料組合可實現不同性能。

• 應變傳感器：CPC 基應變傳感器用于運動檢測、結構監測和醫療保健等領域。如用 SLS 制備的含石墨烯的 TPU 應變傳感器，應變系數高達 668，穩定性好 。CNTs 獨特的結構使其成為應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變傳感器。

• 溫度傳感器：用石墨和 PDMS 復合材料制備的柔性溫度傳感器，對溫度敏感，可用于智能機器人的人造皮膚 。用原位生長 PEDOT 熱層涂覆 TPU 纖維制備的溫度傳感器，靈敏度高，可用于監測人體溫度 。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定性。

• 濕度傳感器：柔性濕度傳感器用于監測呼吸、皮膚濕度等生理參數，也用于電子皮膚和軟機器人。如在 PVDF 多孔膜上沉積 PANI 制備的濕度傳感器，響應時間快、滯后低，可用于監測呼吸和語音 。由磺化聚（醚醚酮）（SPEEK）和聚乙烯醇縮丁醛（PVB）復合納米纖維制備的濕度傳感器，響應時間小于 1 s，恢復時間為 5 s，靈敏度高。

4.3 儲能裝置

CPCs 在儲能領域具有重要應用價值，基于 ICPs 和絕緣聚合物的 CPCs 可用于制造超級電容器和電池等儲能設備。如用分層 PPy - CNT 電極和可拉伸雙網絡水凝膠電解質制備的 PPy / 碳全固態超級電容器，具有高電化學性能、機械穩定性和寬溫度操作范圍。

偽電容器基于導電聚合物，具有高電荷密度和低成本的優點，但循環穩定性較差。將導電聚合物與過渡金屬氧化物復合，可提高其電化學性能。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

5.1 軟機器人

軟機器人部件多由軟聚合物制成，在生命周期內容易受到外部損傷，常見損傷模式包括界面脫粘、尖銳切割、疲勞、機械過載和紫外線降解等。制造過程中的差異可能導致材料界面薄弱，進而引發分層或界面脫粘；在惡劣環境中使用時，軟機器人部件易被尖銳物體劃傷，影響使用壽命；循環加載會使部件產生疲勞，微缺陷逐漸擴大最終導致失效；機械應力可能使聚合物材料過載破裂。

不過，自愈合聚合物為解決這些問題提供了有效途徑。自愈合聚合物利用呋喃和馬來酰亞胺基團之間的可逆 Diels - Alder 反應形成動態交聯，損傷后這些鍵斷裂，材料可彈性恢復，通過溫和加熱可使反應性基團擴散并重新形成交聯，恢復材料性能。

5.2 柔性傳感器

柔性傳感器在運行過程中會發生變形，可能導致輕微到嚴重的損壞甚至失效。其失效形式包括界面失效、疲勞失效、強度失效和電氣失效。界面失效如滑移和分層，在拉伸和彎曲過程中容易出現；疲勞失效由重復機械應力引起，會導致材料內部位錯運動、積累和裂紋形成；強度失效包括彎曲、拉伸和沖擊引起的失效，多層結構材料特性差異也會導致此類失效；電氣失效則會影響傳感器的檢測精度和可靠性。

5.3 環境與可持續性

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

5.4 制造成本與規模化

先進制造技術（如DLP、SLS）設備成本高昂，且生產效率低。例如，電紡絲納米纖維的工業量產仍面臨產量低、針頭堵塞等問題。多針頭電紡雖提升產量，但電場干擾導致纖維均勻性下降。

六、CPCs 的環境影響與可持續性

6.1 聚合物和添加劑的影響

聚合物來源多樣，可分為生物質和石油來源，其生物降解性各不相同。生物質來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；而生物質來源的非生物降解聚合物如生物質 PE 和生物質聚氨酯（PU），以及石油來源的部分聚合物如聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）和聚對苯二甲酸乙二酯（PET）等，會造成塑料污染。

根據來源和生物降解性質對聚合物進行分類

金屬和碳基添加劑可提高 CPCs 的導電性，但部分添加劑存在環境風險。如銀納米線（AgNWs）雖應用廣泛，但會釋放銀離子，對生物體有毒性；鐵納米粒子（FeNPs）可用于土壤凈化，但會改變環境條件，對微生物產生影響；碳基添加劑如 CNTs、石墨烯及其衍生物，生物降解性差，可能對動植物和土壤微生物有毒性。

6.2 控制策略

為減少 CPCs 對環境的影響，可采用多種可持續處理方法。機械回收是常用的塑料回收方法，適用于非生物降解聚合物，但存在材料降解問題；化學回收如熱解和解聚，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。

對于添加劑，可采用綠色合成方法減少其環境影響。如用單寧酸輔助光合成 AgNWs，可實現低影響、高效生產 。此外，酶、真菌和細菌可用于降解碳基添加劑，回收的炭黑可用于鋰離子電池、太陽能蒸發設備等，減少其對環境的危害。

七、CPCs 的局限性與展望

盡管 CPCs 在多個領域取得了顯著進展，但仍面臨一些挑戰。在柔性傳感器和軟機器人部件中，粒子在聚合物基質中易發生泄漏，影響設備性能，目前的封裝技術依賴特定應用，需要進一步研究通用有效的封裝方法。

部分填料如 CNTs，因強范德華力易團聚，影響其在聚合物基質中的分散性，雖然在某些應用中團聚可能有積極作用，但總體上仍需要解決均勻分散問題。CPCs 的制造和固化過程復雜，成本高，限制了其大規模應用。增材制造技術雖有潛力，但存在初始投資成本高、機械性能妥協和適用性受限等問題。此外，導電聚合物致動器響應時間較慢，力生成能力有限；CPCs 在儲能領域的能量密度低于傳統電池，且長期性能受電解質分解和電極材料溶解等因素影響。

未來，應致力于開發低成本、高效的制造方法，提高 CPCs 的長期穩定性和能量密度，增強其在復雜環境下的適應性。同時，需要加強對 CPCs 失效機制的研究，開發更有效的封裝和保護技術，推動 CPCs 在多領域的廣泛應用。

八、結論

導電聚合物復合材料在軟機器人、柔性傳感器和儲能領域展現出巨大的應用潛力，但也面臨諸多挑戰。在軟機器人方面，需提高部件的穩定性和疲勞抗性，優化傳感和致動功能集成；柔性傳感器要解決因重復使用導致的裂紋和失效問題，提高精度和可靠性；儲能領域則需提升能量密度，解決電解質和電極相關問題。

通過深入研究 CPCs 的失效模式、環境影響和可持續性，開發先進的制造技術和材料，有望克服這些挑戰，推動 CPCs 在各領域的進一步發展，為未來的科技進步提供有力支持。

原始文獻：

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.