高導電性和彈性纖維,是智慧織物和可穿戴電子產品的關鍵部件。然而,現有的大部分光纖導體,在拉伸時是應變敏感的,且電導率下降,囙此,通常採用僅引入導電路徑幾何畸變的折衷策略,來獲得穩定的電導率。
在此,來自東華大學的孫勝童&武培怡等研究者,報導了一種同軸濕紡工藝,可連續製造本質上可拉伸、具有高導電性,且導電穩定的液態金屬鞘芯微纖維。相關論文以題為“Conductance-stable liquid metal sheath-core microfibers for stretchy smart fabrics and self-powered sensing”發表在ScienceAdvances上。抖音蒐索“資料科學網”觀看更多精彩視頻。
論文連結:
https://advances.sciencemag.org/content/7/22/eabg4041
柔性、可伸縮和輕量的導體,是新興的可穿戴電子產品、軟機器人、可變形超級電容器/電池、柔性顯示器等不可或缺的組成部分。其中,可伸縮的纖維導體,可以很容易地編織成透氣性高、穿著尺寸不明顯的織物,越來越受到人們的關注。研究人員主要關注兩類具有極端應變導電性的可拉伸導電纖維,用於不同的目的:具有高靈敏電導變化的光纖傳感器和具有穩定電導的光纖電極/互連。具體來說,高性能電子領域的最新發展,對可拉伸纖維電極/互連線提出了很高的要求,這種纖維電極/互連線,即使在各種嚴重的機械變形下,也能穩定地在有源電子元件之間傳輸電信號,而不會造成顯著的電導損失。然而,與光纖應變感測器相比,光纖應變感測器通過裂縫、滲流、扭曲甚至固有電阻響應,來改變傳導路徑,但製造穩定且持續高電導率的可拉伸光纖導體,仍然是一個挑戰。
大多數可拉伸纖維導體,是基於混合或塗層方法,將彈性纖維基體與導電填料集成在一起。無論資料怎樣選擇,導電填料之間的電接觸决定了導電性;在拉伸過程中,導電填料可能會相互分離,導致導電效能惡化。由於大多數導電介質,都是剛性的,其導電性是不變的;囙此,通常採用的設計應變不敏感纖維導體的策略,是通過預應變屈曲過程或簡單地將纖維塑造成波浪或螺旋結構,來誘導導電路徑的幾何畸變。
最近,受節肢動物蠕動行為的啟發,研究者將蠕蟲狀彎曲石墨烯微層塗在聚氨酯絲上,也會導致應變不敏感電阻變化小於0.1,高達220%的應變。儘管這些開創性的研究取得了成功,但這些策略的缺點也很明顯:首先,不可拉伸的導電資料很容易從彈性聚合物中斷裂和分層,導致低導電性和耐久性;第二,複雜的兩步或多步工藝,不允許連續製造長應變不敏感光纖導體;第三,由於大部分導電層暴露在外面,導電資料的洩漏和環境對纖維導電性的影響,將成為另一個棘手的問題。
為了克服這些限制,研究者認為在彈性基體中嵌入具有應變增强導電性的可變形導電填料,可以產生具有穩定和高導電性的超長、本質上可拉伸的光纖導體。此外,眾多研究表明,LM可能是製備導電穩定、具有內在延展性的光纖導體的最佳候選導電填料之一。
基於此,本研究提出了一種同軸濕紡絲法,連續製備具有高、超穩定電導的超彈性LM鞘芯微纖維。該超細纖維可拉伸至1170%,在充分啟動導電路徑時,可實現4.35 104 S/m的高導電性,在200%應變下電阻變化僅為4%,以上性質均產生於拉伸誘導的通道開口和延伸出的曲折的蛇形導電路徑的滲透金屬網絡。此外,這種微纖維可以很容易地編織到日常手套或織物上,充當出色的焦耳加熱器、電致變色顯示器和監測人類活動的自供電可穿戴感測器。
圖1 LM鞘芯微纖維的製備。抖音蒐索“資料科學網”觀看更多精彩視頻。
圖2 LM鞘芯微纖維的力學性能及應變不敏感電導。
圖3 LM鞘芯微纖維的應變不敏感電導機理。
圖4 LM鞘芯微纖維的焦耳熱特性。
圖5 LM鞘芯微纖維/織物在自供電感測器中的應用。
綜上所述,研究者報導了一種基於LM粒子和PVDF-HFP-TFE的同軸濕紡策略,以製造具有高拉伸能力和應變不敏感電導率的高導電、本質可拉伸的LM鞘芯微纖維。與常用的預應變屈曲法和螺旋結構法製備的應變不敏感纖維導體相比,濕紡微纖維經過凍結-拉伸活化燒結LM顆粒後,可以連續製備,並具有超高的電導率和電導率穩定性。而可重複的變形,包括拉伸、擠壓、扭曲和彎曲,不會導致其電效能的顯著惡化。
得益於其高導電性、低楊氏模量和電負性很强的氟橡膠護套,研究者進一步展示了微纖維在焦耳加熱、電熱變色和自供能傳感方面的應用,這可能在智慧紡織品和可穿戴感測器方面獲得潜在的應用。
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