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清華危巖教授、之江實(shí)驗(yàn)室馬志軍研究員等《Prog. Mater. Sci.》綜述：可拉伸導(dǎo)電纖維的設(shè)計(jì)、性能及應(yīng)用
2024-03-27  來(lái)源：高分子科技
關(guān)鍵詞：可拉伸 導(dǎo)電纖維


  近日，清華大學(xué)危巖教授與之江實(shí)驗(yàn)室馬志軍研究員團(tuán)隊(duì)合作在國(guó)際材料科學(xué)研究領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Progress in Materials Science》（IF 37.4）上發(fā)表了題為“Stretchable conductive fibers: Design, properties and applications”的綜述文章。本綜述總結(jié)歸納了可拉伸導(dǎo)電纖維（SCFs）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究應(yīng)用進(jìn)展，為以應(yīng)用導(dǎo)向的導(dǎo)電纖維給出一定的見(jiàn)解。本綜述具體從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、和應(yīng)用領(lǐng)域三個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理，深入分析了SCFs的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與設(shè)計(jì)應(yīng)用之間的關(guān)系。詳細(xì)討論了SCFs在柔性電極、應(yīng)變傳感、功率/信號(hào)傳輸及柔性執(zhí)行器等應(yīng)用中的突出優(yōu)勢(shì)，總結(jié)并展望其面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展的方向。


一、研究背景


  SCFs作為一種兼?zhèn)淅w維材料與可拉伸電子優(yōu)點(diǎn)的新興材料，已被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、生物電子、柔性能源設(shè)備及柔性顯示器等電子器件（圖1）。由于其優(yōu)異的拉伸性、順應(yīng)性、導(dǎo)電性和可集成性，SCFs廣受學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的青睞。盡管研究者們?cè)诳衫鞂?dǎo)電纖維領(lǐng)域傾注了大量的熱情，但SCFs的設(shè)計(jì)與應(yīng)用之間的內(nèi)在聯(lián)系尚未得到明確闡述，阻礙了該領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。在本綜述中，他們通過(guò)詳細(xì)分析SCFs的關(guān)鍵特性，揭示了設(shè)計(jì)與應(yīng)用之間的內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)而為應(yīng)用導(dǎo)向的SCFs設(shè)計(jì)提供全面的指導(dǎo)（圖2）。希望這篇綜述將為廣大功能纖維材料領(lǐng)域的科學(xué)家、工程師及研究生的科研工作提供見(jiàn)解和靈感。 


圖1、可拉伸導(dǎo)電纖維的研究進(jìn)展史


圖2、可拉伸導(dǎo)電纖維的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能特征、及應(yīng)用領(lǐng)域

二、本綜述要點(diǎn)


1.可拉伸導(dǎo)電纖維的設(shè)計(jì)與制備


  SCFs屬于柔性電子與纖維材料的交叉領(lǐng)域，可以通過(guò)將本征可拉伸導(dǎo)電材料加工成纖維形式來(lái)制備，或通過(guò)后處理使絕緣可拉伸纖維具有導(dǎo)電性。與剛性金屬絲和導(dǎo)電樹(shù)脂等常見(jiàn)的傳統(tǒng)導(dǎo)電材料相比，SCFs在設(shè)計(jì)過(guò)程中面臨有限截面內(nèi)導(dǎo)電性與拉伸性之間矛盾，即拉伸會(huì)迅速破壞纖維中的導(dǎo)電通路，導(dǎo)致導(dǎo)電性下降，進(jìn)而影響器件的性能。本綜述從SCFs的結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)入手，介紹了有效平衡SCFs拉伸性和導(dǎo)電性的螺旋、屈曲和蛇形等幾何結(jié)構(gòu)，并討論了構(gòu)成SCFs的各類材料的特性及其優(yōu)缺點(diǎn)，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(dǎo)電聚合物、離子導(dǎo)體以及液態(tài)金屬。此外，本綜述詳細(xì)描述了不同結(jié)構(gòu)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(xué)沉積、紡絲、熱拉絲等（圖3）。


圖3、可拉伸導(dǎo)電纖維的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：a、層狀互鎖螺旋導(dǎo)電纖維結(jié)構(gòu)；b、蛇形可拉伸電纖維結(jié)構(gòu)；c、層狀屈曲可拉伸導(dǎo)電纖維結(jié)構(gòu)

2.可拉伸導(dǎo)電纖維的關(guān)鍵性能


  機(jī)械性能和電氣性能以及由兩者結(jié)合而產(chǎn)生的力電性能是SCFs最受關(guān)注的關(guān)鍵性能。SCFs的性能表現(xiàn)取決于其結(jié)構(gòu)、組成和制備方法，并決定了它們的應(yīng)用。本綜述通過(guò)剖析表征SCFs力學(xué)、電學(xué)及動(dòng)態(tài)力電性能的物理量，對(duì)其關(guān)鍵性能及影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析。值得一提的是，根據(jù)已報(bào)道的SCFs在拉伸過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線及相對(duì)電阻變化曲線，本綜述首次總結(jié)了SCFs的關(guān)鍵性能分類曲線，結(jié)合線性彈性和非線性彈性理論討論了SCFs力學(xué)參數(shù)隨拉伸形變的變化，結(jié)合滲流理論和隧穿效應(yīng)討論了SCFs在拉伸過(guò)程中的電學(xué)穩(wěn)定性及靈敏度，有望為SCFs的性能調(diào)控和模型搭建提供指導(dǎo)（圖4）。


圖4、a、可拉伸導(dǎo)電纖維力學(xué)的常見(jiàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線；b、可拉伸導(dǎo)電纖維力學(xué)的常見(jiàn)電阻率-應(yīng)變曲線

3.可拉伸導(dǎo)電纖維的應(yīng)用


  可拉伸導(dǎo)電纖維在各個(gè)領(lǐng)域表現(xiàn)出超越傳統(tǒng)材料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，典型的應(yīng)用實(shí)例包括柔性電極、應(yīng)變傳感器、功率/信號(hào)傳輸和柔性執(zhí)行器；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(gòu)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(jiān)測(cè)和可穿戴顯示。此外，由生物相容性材料構(gòu)成的SCFs可以置于體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)電子器件與生物系統(tǒng)的連接，而SCFs衍生的柔性執(zhí)行器可以在復(fù)雜和狹窄的環(huán)境中執(zhí)行特殊操作，是管道機(jī)器人和軟機(jī)器人的理想選擇。本綜述重點(diǎn)展示了上述四類基于SCFs的電子器件及其在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的應(yīng)用，并指出了現(xiàn)有器件在實(shí)際應(yīng)用中存在的局限性和值得深入探索的領(lǐng)域（圖5，圖6）。 


圖5、可拉伸導(dǎo)電纖維作為電極的應(yīng)用：a、蠕蟲(chóng)狀石墨烯微層結(jié)構(gòu)的仿生導(dǎo)電纖維；b、可拉伸導(dǎo)電纖維pH傳感器電極；c、Cu/PU三維螺旋導(dǎo)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(dǎo)電纖維及其在可拉伸纖維狀電池上的應(yīng)用；e、螺旋帶狀導(dǎo)電纖維及其應(yīng)用；f、導(dǎo)電涂層纖維及其作為植入式生物電極的應(yīng)用 


圖6、可拉伸導(dǎo)電纖維作為應(yīng)變傳感器的應(yīng)用：a、應(yīng)用于跆拳道服多部位應(yīng)力檢測(cè)的電子紡織品；b、用于檢測(cè)彎曲和扭轉(zhuǎn)以及血液脈沖和聲音識(shí)別傳感器；c、可釋藥電子縫線監(jiān)測(cè)創(chuàng)面應(yīng)變狀態(tài)傳感器；d、用于手勢(shì)識(shí)別的導(dǎo)電纖維傳感器


4.結(jié)論與展望


  本綜述從智能柔性電子器件對(duì)SCF的需求出發(fā)，綜述了SCF的設(shè)計(jì)策略、關(guān)鍵性能與典型應(yīng)用，并揭示了三者之間的密切關(guān)聯(lián)。盡管SCF已被廣泛研究并應(yīng)用于各類場(chǎng)景，然而其在實(shí)際生產(chǎn)生活中的使用仍需要解決一些列問(wèn)題，如SCF的低成本自動(dòng)化大規(guī)模制造與高穩(wěn)定精細(xì)加工、基于SCF的多模態(tài)器件及高精度體內(nèi)嵌入式器件的開(kāi)發(fā)、SCF制造技術(shù)人工智能和材料計(jì)算的結(jié)合。


  之江實(shí)驗(yàn)室博士后宋曉珂與清華大學(xué)博士研究生季久江為本綜述共同第一作者；清華大學(xué)危巖教授、之江實(shí)驗(yàn)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(xué)博士研究生：周寧?kù)o和陳夢(mèng)佳；之江實(shí)驗(yàn)室博士后張利昂和助理研究員馬思遠(yuǎn)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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