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清華危巖教授、之江實驗室馬志軍研究員等《Prog. Mater. Sci.》綜述：可拉伸導電纖維的設計、性能及應用

2024-03-27 來源：高分子科技

近日，清華大學危巖教授與之江實驗室馬志軍研究員團隊合作在國際材料科學研究領域頂級期刊《Progress in Materials Science》（IF 37.4）上發表了題為“Stretchable conductive fibers: Design, properties and applications”的綜述文章。本綜述總結歸納了可拉伸導電纖維（SCFs）的結構設計與研究應用進展，為以應用導向的導電纖維給出一定的見解。本綜述具體從材料選擇、結構設計、和應用領域三個方面進行了系統的梳理，深入分析了SCFs的結構特點與設計應用之間的關系。詳細討論了SCFs在柔性電極、應變傳感、功率/信號傳輸及柔性執行器等應用中的突出優勢，總結并展望其面臨的挑戰和未來發展的方向。

一、研究背景

SCFs作為一種兼備纖維材料與可拉伸電子優點的新興材料，已被廣泛應用于機器人、生物電子、柔性能源設備及柔性顯示器等電子器件（圖1）。由于其優異的拉伸性、順應性、導電性和可集成性，SCFs廣受學術界和工業界的青睞。盡管研究者們在可拉伸導電纖維領域傾注了大量的熱情，但SCFs的設計與應用之間的內在聯系尚未得到明確闡述，阻礙了該領域的進一步發展。在本綜述中，他們通過詳細分析SCFs的關鍵特性，揭示了設計與應用之間的內在聯系，進而為應用導向的SCFs設計提供全面的指導（圖2）。希望這篇綜述將為廣大功能纖維材料領域的科學家、工程師及研究生的科研工作提供見解和靈感。

圖1、可拉伸導電纖維的研究進展史

圖2、可拉伸導電纖維的結構設計、性能特征、及應用領域

二、本綜述要點

1.可拉伸導電纖維的設計與制備

SCFs屬于柔性電子與纖維材料的交叉領域，可以通過將本征可拉伸導電材料加工成纖維形式來制備，或通過后處理使絕緣可拉伸纖維具有導電性。與剛性金屬絲和導電樹脂等常見的傳統導電材料相比，SCFs在設計過程中面臨有限截面內導電性與拉伸性之間矛盾，即拉伸會迅速破壞纖維中的導電通路，導致導電性下降，進而影響器件的性能。本綜述從SCFs的結構與材料設計入手，介紹了有效平衡SCFs拉伸性和導電性的螺旋、屈曲和蛇形等幾何結構，并討論了構成SCFs的各類材料的特性及其優缺點，包含0D的炭黑和金屬納米顆粒；1D的金屬納米線和碳納米管；2D的金屬納米片、Mxene和石墨烯；本征導電聚合物、離子導體以及液態金屬。此外，本綜述詳細描述了不同結構和材料組成的SCF適用的制備策略、組合方案及底層原理，包括涂層、物理／化學沉積、紡絲、熱拉絲等（圖3）。

圖3、可拉伸導電纖維的結構設計：a、層狀互鎖螺旋導電纖維結構；b、蛇形可拉伸電纖維結構；c、層狀屈曲可拉伸導電纖維結構

2.可拉伸導電纖維的關鍵性能

機械性能和電氣性能以及由兩者結合而產生的力電性能是SCFs最受關注的關鍵性能。SCFs的性能表現取決于其結構、組成和制備方法，并決定了它們的應用。本綜述通過剖析表征SCFs力學、電學及動態力電性能的物理量，對其關鍵性能及影響因素進行了系統分析。值得一提的是，根據已報道的SCFs在拉伸過程中的應力應變曲線及相對電阻變化曲線，本綜述首次總結了SCFs的關鍵性能分類曲線，結合線性彈性和非線性彈性理論討論了SCFs力學參數隨拉伸形變的變化，結合滲流理論和隧穿效應討論了SCFs在拉伸過程中的電學穩定性及靈敏度，有望為SCFs的性能調控和模型搭建提供指導（圖4）。

圖4、a、可拉伸導電纖維力學的常見應力-應變曲線；b、可拉伸導電纖維力學的常見電阻率-應變曲線

3.可拉伸導電纖維的應用

可拉伸導電纖維在各個領域表現出超越傳統材料的應用優勢，典型的應用實例包括柔性電極、應變傳感器、功率/信號傳輸和柔性執行器。基于SCFs的電子器件重量輕、透氣性好、集成度高，可以方便地集成到各種柔性器件中構建模塊化多功能電極陣列，或編織于日常服裝中用于健康監測和可穿戴顯示。此外，由生物相容性材料構成的SCFs可以置于體內，實現電子器件與生物系統的連接，而SCFs衍生的柔性執行器可以在復雜和狹窄的環境中執行特殊操作，是管道機器人和軟機器人的理想選擇。本綜述重點展示了上述四類基于SCFs的電子器件及其在現實場景中的應用，并指出了現有器件在實際應用中存在的局限性和值得深入探索的領域（圖5，圖6）。

圖5、可拉伸導電纖維作為電極的應用：a、蠕蟲狀石墨烯微層結構的仿生導電纖維；b、可拉伸導電纖維pH傳感器電極；c、Cu/PU三維螺旋導電纖維的制備及其作為可穿戴照明腕帶的引用；d、Li-Zno@CNT導電纖維及其在可拉伸纖維狀電池上的應用；e、螺旋帶狀導電纖維及其應用；f、導電涂層纖維及其作為植入式生物電極的應用

圖6、可拉伸導電纖維作為應變傳感器的應用：a、應用于跆拳道服多部位應力檢測的電子紡織品；b、用于檢測彎曲和扭轉以及血液脈沖和聲音識別傳感器；c、可釋藥電子縫線監測創面應變狀態傳感器；d、用于手勢識別的導電纖維傳感器

4.結論與展望

本綜述從智能柔性電子器件對SCF的需求出發，綜述了SCF的設計策略、關鍵性能與典型應用，并揭示了三者之間的密切關聯。盡管SCF已被廣泛研究并應用于各類場景，然而其在實際生產生活中的使用仍需要解決一些列問題，如SCF的低成本自動化大規模制造與高穩定精細加工、基于SCF的多模態器件及高精度體內嵌入式器件的開發、SCF制造技術人工智能和材料計算的結合。

之江實驗室博士后宋曉珂與清華大學博士研究生季久江為本綜述共同第一作者；清華大學危巖教授、之江實驗室馬志軍研究員、瞿瑞祥助理研究員、李恒毅助理研究員為本綜述共同通訊作者；浙江大學博士研究生：周寧靜和陳夢佳；之江實驗室博士后張利昂和助理研究員馬思遠為本綜述的共同參與作者。

文章鏈接 https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2024.101288

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（責任編輯：xu）

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