東華大學研發應變不敏感的智能織物和自供電傳感

　　基于液态金屬顆粒和聚合物材料的高拉伸性和應變不敏感微纖維的智能紡織品

　　目前雖然可以使用高導電性和彈性纖維開發智能織物和可穿戴電子産品。然而，這些光纖導體中的大多數是應變敏感的，拉伸時電導有限。因此，可以通過重新排列導電路徑的幾何形狀來引入新的策略，以實現穩定的電導。

　　在發表在Science Advances上的一份新報告中，東華大學描述了一種同軸濕紡工藝，以不斷開發本質上可拉伸和高導電性但電導穩定的液态金屬 (LM) 皮芯微纖維。該團隊将微纖維拉伸至 1170% 并完全激活導電路徑以獲得 4.35 x 10 4的非常高的導電率S/m 和在 200% 應變下電阻變化僅為 4%。這種超細纖維可以很容易地編織到日常手套織物中，并可用作出色的焦耳加熱器、電熱緻變色顯示器和自供電的可穿戴傳感器。

　　LM 皮芯微纖維的制備。(A) 用于生産 LM 皮芯微纖維的同軸濕紡工藝的示意圖設置和主要組件。(B) 在連續纏繞的收集器上收集長度為 380 m 的單根初紡纖維。(C) LM 鞘芯超細纖維和人發的顯微圖像。(D) 穿入針中的超細纖維的照片。(E) 超細纖維外表面的 SEM 圖像。(F) 打結的超細纖維的 SEM 圖像。(G) LED 可以通過 55 厘米長的激活 LM 鞘芯微纖維在 3 V 的電壓下點亮。 (H) 超細纖維的橫截面 SEM 和相應的元素映射圖像。

　　可拉伸纖維導體

　　可拉伸的纖維導體可以很容易地開發成具有高透氣性的織物，并且可以很好地集成為越來越受關注的可穿戴傳感器。可拉伸導電纖維具有高度敏感的電導變化，促進穩定的電導。高性能電子産品的最新發展對可拉伸的纖維電極或互連有很高的需求，以在有源電子元件之間穩定傳輸電信号而沒有顯着的電導損失。将具有應變增強導電性的可變形導電填料嵌入到彈性基體中，以産生具有穩定和高導電性的超長、本質上可拉伸的纖維導體。研究團隊提出了一種同軸濕間距方法來制備具有高和超穩定電導的超彈性液态金屬皮芯微纖維。然後，他們探索了液态金屬鞘芯微纖維在智能織物和自供電傳感過程中的有前景的應用，與焦耳加熱、電熱緻變色和摩擦電特性相關。

　　LM 皮芯微纖維的機械性能和應變不敏感電導。(A) LM 皮芯微纖維的拉伸應力-應變曲線和在增加應變時測量的滞後回線（拉伸速率：20 毫米/分鐘）。(B) 在 100% 固定應變下的循環加載-卸載曲線 100 個循環（拉伸速率：20 毫米/分鐘；等待時間：10 分鐘）。(C) 冷凍處理後超細纖維拉伸誘導的電導率活化的電阻變化。(D) 六種不同含氟彈性體負載的 LM 皮芯微纖維的應變依賴電阻變化率 [CPVDF-HFP-TFE = 0（純 LM）、3、5、7、9 和 11 wt%]。(E) 不同微纖維固定應變下電阻變化率的直方圖。(F) 最大應變、初始電導率的比較，LM 皮芯超細纖維與其他報道的應變不敏感和基于 LM 的可拉伸纖維導體在 200% 應變下的電阻變化率。(G) LM 皮芯微纖維在 0 和 100% 應變之間超過 600 次循環的電阻變化。(H 到 J) 超細纖維在加壓、扭曲和彎曲時的電阻變化。

　　實驗——制備液态金屬 (LM) 皮芯微纖維：

　　使用同軸濕法紡絲制備液态金屬皮芯微纖維，并通過使紡絲溶液平穩固化來提高纖維質量。他們在内通道中使用三種紡絲溶液，在外通道中使用蒸餾水作為凝固浴。該團隊還在外皮後紫外聚合中引入了共價網絡，以提高 LM 皮芯纖維的韌性和彈性恢複。可以将 LM 皮芯微纖維連續濕紡成理想的無限長度。

　　LM 皮芯微纖維的應變不敏感電導機制。(A) 拉伸和釋放過程中 PVDF-HFP-TFE 薄膜上 EGaIn 液滴表面和解的照片。(B) 通過 Ga2O3 層和極性 CF 基團之間的偶極-偶極相互作用在 PVDF-HFP-TFE 薄膜上産生和重新調整 EGaIn 表面的示意圖。(C) LM 粒子的 Ga 3d XPS 光譜。au，任意單位。(D) PVDF-HFP-TFE 和 PVDF-HFP-TFE/LM 複合材料（CPVDF-HFP-TFE = 7 wt%）在 CF 拉伸區域的衰減全反射-傅立葉變換紅外（ATR-FTIR）光譜。(E) 在反射模式下觀察到的拉伸過程中 LM 皮芯微纖維的偏振顯微照片。(F) 分别在 0% 和 300% 應變下微纖維的 2D SAXS 圖案和散射強度圖（積分區域是選定的矩形區域）。(G) SAXS 方位角積分和相應的洛倫茲拟合曲線。插圖是纖維在 300% 應變下的二維圖像。

　　機械性能和應變不敏感電導

　　為了了解 LM 皮芯微纖維的高彈性拉伸性和循環性，科學家接下來進行了循環拉伸測試，以注意到 100 次循環後 100% 的良好彈性恢複。接下來使用順序冷凍加拉伸策略來激活電導率。由此産生的超細纖維優異的應變不敏感電導有助于進一步實時研究電性能的穩定性和耐久性，用于智能織物和可穿戴電子産品的實際應用。充分燒結液态金屬顆粒對于活化的電導率，科學家們使用了連續的冷凍加拉伸策略。由于其異常的體積膨脹行為，LM 在低溫下膨脹而不是收縮。因此，液氮凍結引起的相和剛度變化有助于 LM 粒子穿透氧化物和彈性體塗層，以部分激活導電路徑。随後将材料機械拉伸至 200% 降低了電阻，從而實現了相當高的導電性。重複拉伸和恢複顯示出小幅度的電阻變化，以成功構建穩定和連續的導電網絡。、研究了電性能在實時應用中的穩定性和耐久性。結果突出了 LM 皮芯微纖維的高和應變不敏感電導率，其不受變形的影響很大，在智能織物和可穿戴電子産品中具有實際應用。

　　應變不敏感電導機制

　　為了了解 LM 鞘芯超細纖維内優異電導的機制，研究了含氟彈性體和液态金屬邊界之間的相互作用。液态金屬保持非常高的表面張力并經曆完全可恢複的形狀變形，這表明 LM 可以協調其表面，在應變不敏感電導期間與含氟彈性體形成牢固的界面。該團隊使用 3D X 射線光電子能譜(XPS) 光譜支持 LM 顆粒上存在表面氧化層。結果表明，LM 氧化層和含氟彈性體之間的偶極吸引力在 LM 變形和高電導耐受性期間的重要作用。該團隊随後使用小角度 X 射線散射方法，以進一步研究纖維的微小微觀結構變化。

　　LM 皮芯微纖維的焦耳熱特性。(A) LM 皮芯超細纖維在 0 到 1.2 V 的施加電壓下的逐步溫度變化曲線和相應的紅外熱圖像。 (B) 通過在 0 到 1.2 V 之間切換電壓對超細纖維焦耳熱性能的循環穩定性測試0.8 V。 (C) (B) 中虛線區域的放大圖像顯示了一個開關循環中的溫度變化。(D) 當手指彎曲時，嵌入彈性織物手套（施加電壓，0.4 V）的纖維的紅外熱圖像。(E) 電熱緻變色微纖維的顯微圖像和通過打開和關閉電壓嵌入織物中的纖維的照片。

　　焦耳熱效應

　　科學家接下來研究了将 LM 鞘芯微纖維集成到智能織物中的潛在應用。由于具有小楊氏模量的纖維的優良性質，将纖維與織物結合是不可行的，因為它不會影響織物的機械性能。然而，由于其應變不敏感的電導，該纖維可以通過焦耳熱效應用作電加熱器。例如，纖維的溫度随着施加的直流電壓均勻地增加。該團隊還将 LM 皮芯超細纖維嵌入彈性氨綸手套中，并通過智能織物展示了多項發現，以證明超細纖維在智能顯示和自适應僞裝方面的潛力。基于單電極模式摩擦電機制，LM 鞘芯微纖維還充當理想的、高度可拉伸的自供電傳感器。超小型 Young LM 皮芯微纖維的 s 模量和超高拉伸性使其适用于不易察覺的可穿戴傳感。該團隊反複将 LM 皮芯超細纖維與棉花、絲綢和鋁箔等多種材料接觸，以監測感應電壓和電流。中與人類手腕的皮膚接觸，這種纖維作為自供電的可穿戴傳感器表現出強大的傳感潛力。

　　LM 鞘芯微纖維/織物在自供電傳感器中的應用。(A) 基于 LM 鞘芯微纖維的自供電傳感器的工作機制。(B) 常見摩擦電材料的楊氏模量和相對摩擦電極極性的比較。(C) LM 微纖維與五種不同的摩擦電材料以 2 Hz 的運動頻率接觸産生的電壓信号。纖維的長度為4厘米。(D) 纖維與絲接觸産生的不同頻率下的電壓信号。(E) 在 2 Hz 運動頻率下光纖不同應變水平下的電壓信号。纖維的長度為1厘米。（F）通過彎曲戴在假手上的嵌入纖維傳感器的氨綸手套的照片和相應的電壓信号。(G) 貼在人類手腕上的光纖傳感器的照片和相應的電壓信号。

　　總結：

　　通過這種方式，使用基于液态金屬顆粒和聚合物材料的同軸濕紡技術開發了一種高導電性、本質上可拉伸的 LM 皮芯微纖維，具有高拉伸性和應變不敏感電導率。該團隊注意到微纖維在焦耳加熱、電熱緻變色和自供電傳感過程中的應用，這些應用在智能紡織品和可穿戴傳感器的潛在應用中。

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