东华大学研发应变不敏感的智能织物和自供电传感

基于液态金属颗粒和聚合物材料的高拉伸性和应变不敏感微纤维的智能纺织品

目前虽然可以使用高导电性和弹性纤维开发智能织物和可穿戴电子产品。然而，这些光纤导体中的大多数是应变敏感的，拉伸时电导有限。因此，可以通过重新排列导电路径的几何形状来引入新的策略，以实现稳定的电导。

在发表在Science Advances上的一份新报告中，东华大学描述了一种同轴湿纺工艺，以不断开发本质上可拉伸和高导电性但电导稳定的液态金属 (LM) 皮芯微纤维。该团队将微纤维拉伸至 1170% 并完全激活导电路径以获得 4.35 x 10 4的非常高的导电率S/m 和在 200% 应变下电阻变化仅为 4%。这种超细纤维可以很容易地编织到日常手套织物中，并可用作出色的焦耳加热器、电热致变色显示器和自供电的可穿戴传感器。

LM 皮芯微纤维的制备。(A) 用于生产 LM 皮芯微纤维的同轴湿纺工艺的示意图设置和主要组件。(B) 在连续缠绕的收集器上收集长度为 380 m 的单根初纺纤维。(C) LM 鞘芯超细纤维和人发的显微图像。(D) 穿入针中的超细纤维的照片。(E) 超细纤维外表面的 SEM 图像。(F) 打结的超细纤维的 SEM 图像。(G) LED 可以通过 55 厘米长的激活 LM 鞘芯微纤维在 3 V 的电压下点亮。 (H) 超细纤维的横截面 SEM 和相应的元素映射图像。

可拉伸纤维导体

可拉伸的纤维导体可以很容易地开发成具有高透气性的织物，并且可以很好地集成为越来越受关注的可穿戴传感器。可拉伸导电纤维具有高度敏感的电导变化，促进稳定的电导。高性能电子产品的最新发展对可拉伸的纤维电极或互连有很高的需求，以在有源电子元件之间稳定传输电信号而没有显着的电导损失。将具有应变增强导电性的可变形导电填料嵌入到弹性基体中，以产生具有稳定和高导电性的超长、本质上可拉伸的纤维导体。研究团队提出了一种同轴湿间距方法来制备具有高和超稳定电导的超弹性液态金属皮芯微纤维。然后，他们探索了液态金属鞘芯微纤维在智能织物和自供电传感过程中的有前景的应用，与焦耳加热、电热致变色和摩擦电特性相关。

LM 皮芯微纤维的机械性能和应变不敏感电导。(A) LM 皮芯微纤维的拉伸应力-应变曲线和在增加应变时测量的滞后回线（拉伸速率：20 毫米/分钟）。(B) 在 100% 固定应变下的循环加载-卸载曲线 100 个循环（拉伸速率：20 毫米/分钟；等待时间：10 分钟）。(C) 冷冻处理后超细纤维拉伸诱导的电导率活化的电阻变化。(D) 六种不同含氟弹性体负载的 LM 皮芯微纤维的应变依赖电阻变化率 [CPVDF-HFP-TFE = 0（纯 LM）、3、5、7、9 和 11 wt%]。(E) 不同微纤维固定应变下电阻变化率的直方图。(F) 最大应变、初始电导率的比较，LM 皮芯超细纤维与其他报道的应变不敏感和基于 LM 的可拉伸纤维导体在 200% 应变下的电阻变化率。(G) LM 皮芯微纤维在 0 和 100% 应变之间超过 600 次循环的电阻变化。(H 到 J) 超细纤维在加压、扭曲和弯曲时的电阻变化。

实验——制备液态金属 (LM) 皮芯微纤维：

使用同轴湿法纺丝制备液态金属皮芯微纤维，并通过使纺丝溶液平稳固化来提高纤维质量。他们在内通道中使用三种纺丝溶液，在外通道中使用蒸馏水作为凝固浴。该团队还在外皮后紫外聚合中引入了共价网络，以提高 LM 皮芯纤维的韧性和弹性恢复。可以将 LM 皮芯微纤维连续湿纺成理想的无限长度。

LM 皮芯微纤维的应变不敏感电导机制。(A) 拉伸和释放过程中 PVDF-HFP-TFE 薄膜上 EGaIn 液滴表面和解的照片。(B) 通过 Ga2O3 层和极性 CF 基团之间的偶极-偶极相互作用在 PVDF-HFP-TFE 薄膜上产生和重新调整 EGaIn 表面的示意图。(C) LM 粒子的 Ga 3d XPS 光谱。au，任意单位。(D) PVDF-HFP-TFE 和 PVDF-HFP-TFE/LM 复合材料（CPVDF-HFP-TFE = 7 wt%）在 CF 拉伸区域的衰减全反射-傅立叶变换红外（ATR-FTIR）光谱。(E) 在反射模式下观察到的拉伸过程中 LM 皮芯微纤维的偏振显微照片。(F) 分别在 0% 和 300% 应变下微纤维的 2D SAXS 图案和散射强度图（积分区域是选定的矩形区域）。(G) SAXS 方位角积分和相应的洛伦兹拟合曲线。插图是纤维在 300% 应变下的二维图像。

机械性能和应变不敏感电导

为了了解 LM 皮芯微纤维的高弹性拉伸性和循环性，科学家接下来进行了循环拉伸测试，以注意到 100 次循环后 100% 的良好弹性恢复。接下来使用顺序冷冻加拉伸策略来激活电导率。由此产生的超细纤维优异的应变不敏感电导有助于进一步实时研究电性能的稳定性和耐久性，用于智能织物和可穿戴电子产品的实际应用。充分烧结液态金属颗粒对于活化的电导率，科学家们使用了连续的"冷冻加拉伸"策略。由于其异常的体积膨胀行为，LM 在低温下膨胀而不是收缩。因此，液氮冻结引起的相和刚度变化有助于 LM 粒子穿透氧化物和弹性体涂层，以部分激活导电路径。随后将材料机械拉伸至 200% 降低了电阻，从而实现了相当高的导电性。重复拉伸和恢复显示出小幅度的电阻变化，以成功构建稳定和连续的导电网络。、研究了电性能在实时应用中的稳定性和耐久性。结果突出了 LM 皮芯微纤维的高和应变不敏感电导率，其不受变形的影响很大，在智能织物和可穿戴电子产品中具有实际应用。

应变不敏感电导机制

为了了解 LM 鞘芯超细纤维内优异电导的机制，研究了含氟弹性体和液态金属边界之间的相互作用。液态金属保持非常高的表面张力并经历完全可恢复的形状变形，这表明 LM 可以协调其表面，在应变不敏感电导期间与含氟弹性体形成牢固的界面。该团队使用 3D X 射线光电子能谱(XPS) 光谱支持 LM 颗粒上存在表面氧化层。结果表明，LM 氧化层和含氟弹性体之间的偶极吸引力在 LM 变形和高电导耐受性期间的重要作用。该团队随后使用小角度 X 射线散射方法，以进一步研究纤维的微小微观结构变化。

LM 皮芯微纤维的焦耳热特性。(A) LM 皮芯超细纤维在 0 到 1.2 V 的施加电压下的逐步温度变化曲线和相应的红外热图像。 (B) 通过在 0 到 1.2 V 之间切换电压对超细纤维焦耳热性能的循环稳定性测试0.8 V。 (C) (B) 中虚线区域的放大图像显示了一个开关循环中的温度变化。(D) 当手指弯曲时，嵌入弹性织物手套（施加电压，0.4 V）的纤维的红外热图像。(E) 电热致变色微纤维的显微图像和通过打开和关闭电压嵌入织物中的纤维的照片。

焦耳热效应

科学家接下来研究了将 LM 鞘芯微纤维集成到智能织物中的潜在应用。由于具有小杨氏模量的纤维的优良性质，将纤维与织物结合是不可行的，因为它不会影响织物的机械性能。然而，由于其应变不敏感的电导，该纤维可以通过焦耳热效应用作电加热器。例如，纤维的温度随着施加的直流电压均匀地增加。该团队还将 LM 皮芯超细纤维嵌入弹性氨纶手套中，并通过智能织物展示了多项发现，以证明超细纤维在智能显示和自适应伪装方面的潜力。基于单电极模式摩擦电机制，LM 鞘芯微纤维还充当理想的、高度可拉伸的自供电传感器。超小型 Young' LM 皮芯微纤维的 s 模量和超高拉伸性使其适用于不易察觉的可穿戴传感。该团队反复将 LM 皮芯超细纤维与棉花、丝绸和铝箔等多种材料接触，以监测感应电压和电流。中与人类手腕的皮肤接触，这种纤维作为自供电的可穿戴传感器表现出强大的传感潜力。

LM 鞘芯微纤维/织物在自供电传感器中的应用。(A) 基于 LM 鞘芯微纤维的自供电传感器的工作机制。(B) 常见摩擦电材料的杨氏模量和相对摩擦电极极性的比较。(C) LM 微纤维与五种不同的摩擦电材料以 2 Hz 的运动频率接触产生的电压信号。纤维的长度为4厘米。(D) 纤维与丝接触产生的不同频率下的电压信号。(E) 在 2 Hz 运动频率下光纤不同应变水平下的电压信号。纤维的长度为1厘米。（F）通过弯曲戴在假手上的嵌入纤维传感器的氨纶手套的照片和相应的电压信号。(G) 贴在人类手腕上的光纤传感器的照片和相应的电压信号。

总结：

通过这种方式，使用基于液态金属颗粒和聚合物材料的同轴湿纺技术开发了一种高导电性、本质上可拉伸的 LM 皮芯微纤维，具有高拉伸性和应变不敏感电导率。该团队注意到微纤维在焦耳加热、电热致变色和自供电传感过程中的应用，这些应用在智能纺织品和可穿戴传感器的潜在应用中。