Advanced Materials Technologies:“一步法”制备基于液态金属的仿血管结构柔性多功能导电纤维

作为智能可穿戴产品中不可缺少的组成部分,可拉伸导电纤维因具有良好的柔韧性和轻量化等特点,使可穿戴设备在人造皮肤、柔性传感器等方面的应用成为可能,而这些应用是目前金属导线无法实现的。近年来,镓基液态金属因其多功能性和生物相容性在可拉伸导电材料中得到了广泛的关注。与传统的刚性导电材料不同,新兴的镓基液态金属具有良好的流动性和导电性能。微流道注射法是目前制备液态金属基柔性器件的主要方法,但通过注射的方法制备导电纤维往往需要多道工序,无法批量生产,给实际应用带来了困难。

最近,西安工程大学樊威教授课题组、清华大学张莹莹教授课题组合作,以血管结构为灵感,通过同轴湿法纺丝技术设计并制备出了一种可拉伸多功能导电纤维(SMCF)。芯层的“血液”——液态金属在壳层的聚氨酯——“血管壁”保护下始终保持连续,并随“血管”的形变而变化。该项工作通过简单的“一步法”实现了导电纤维的连续大批量生产,并验证了SMCF在电阻式传感器、电容式传感器和可穿戴式加热器方面的应用潜力。该项工作将为智能可穿戴产品的进一步普及提供新的策略。

图1. SMCF的制备流程及形貌表征。

SMCF的电阻式传感器性能测试结果显示:SMCF的最大应变为373%,其电阻可以随应变作出变化,实现快速电响应。同时,SMCF具有优异的导电性,其电导率为3.4×104 S/cm,可以作为柔性导线应用于可穿戴设备中。此外,SMCF具有良好的稳定性和耐久性,在超过5000次拉伸回复后其电信号输出仍然稳定。

图2. SMCF作为电阻式传感器的性能测试图。

在人类的感知系统中,不仅有对应变的感知,还有对压力的感知。压力测试结果表明,在模拟人体触觉监测微小压力时,基于SMCF的电容式传感器表现出了极高的灵敏度,在0~0.5 kPa范围内,压力传感器的灵敏度为0.488 kPa-1,随着压强的增加,灵敏度下降到0.044 kPa-1,同时还可以通过摩尔斯电码传输信息。此外,基于SMCF的电容式传感器还可以通过电容耦合无接触感应40cm以内的导体。

图3. 基于SMCF的电容式传感器性能测试图。

由于具有优异的导电性,SMCF可以通过焦耳热效应释放热量。当在两端加载电压时,SMCF表现出了在可穿戴式加热器方面巨大的应用潜力。测试结果表明,SMCF的温度随加载电压升高而升高,在外加电压为0.6 V时达到85.2 ℃。即使在0.1 V电压下,SMCF也能在27.1 ℃的环境温度下升温到39.2 ℃,在低电压下显示出良好的加热性能。同时,在红外灯照射下,SMCF的升温速率明显快于环境温度,具有良好的光热性能。

图4. SMCF作为可穿戴式加热器时的性能。

基于上述SMCF的各项性能,SMCF在实际应用中表现出色。在监测人体关节运动方面,SMCF表现出了较高的精度。同时由于壳层材料聚氨酯良好的防水性能,使SMCF可以在水下工作,监测鱼类运动。基于SMCF的距离感应功能,作者开发了一套盲人碰撞预警系统,如果前方有物体(<35 cm),报警系统将鸣响提醒盲人,并闪烁警示灯,警告他人避让。

图5. 导电纤维的应用展示。

研究者相信,此项研究将会为多功能导电纤维的工艺设计及应用提供理论指导,促进多功能可拉伸导电纤维的工程应用。西安工程大学樊威教授团队硕士研究生于希晨与青年教师刘泱博士为本文共同第一作者,硕士研究生陈维纯、张瑶、陆琳琳、刘红霞参与了工作。西安工程大学樊威教授、清华大学张莹莹副教授为论文共同通讯作者,合作者包括北京纳米能源所董凯副研究员,西安交通大学王淑娟副教授。该研究得到陕西省“千人计划”青年项目、陕西省创新能力支撑计划、广东省科技计划项目、“纺织之光”应用基础研究项目的资助。

论文信息:

A One-Step Fabricated Sheath-Core Stretchable Fiber Based on Liquid Metal with Superior Electric Conductivity for Wearable Sensors and Heaters

Xichen Yu, Wei Fan*, Yang Liu, Kai Dong, Shujuan Wang, Weichun Chen, Yao Zhang, Linlin Lu, Hongxia Liu, Yingying Zhang*

Advanced Materials Technologies

DOI: 10.1002/admt.202101618

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202101618