湖南大学吴英鹏教授课题组《Energy Environ. Mater.》：多场景液态金属基自修复弹性导电纤维

2022-06-28 来源：高分子科技

柔性可穿戴电子产品在医疗保健、软机器人、人机界面等领域得到了广泛的研究。柔性导电纤维作为可穿戴电子产品和智能纺织品的重要组成部分，受到了广泛的关注。然而，在不同的应用场景中，导电纤维不可避免地会发生弯曲、拉伸等情况，从而导致设备断裂或损坏。因此，开发长寿命、高弹性的导电纤维具有重要意义。

受自然界自修复现象启发，将自修复特性集成到导电纤维中，可以赋予其结构和功能的修复能力，提高设备的使用寿命和耐久性。近期，湖南大学化学化工学院吴英鹏教授课题组通过结合自修复聚合物（SHP）和可自修复的液态金属（LM）电极，制备了一种弹性自修复导电纤维（C-SHF）。C-SHF可在多种复杂的操作条件下均具有良好的自修复能力。而后将其应用于自修复信号传输线及可穿戴自修复传感器领域，展示了广阔的应用前景。该研究成果发表在高水平国产期刊Energy & Environmental Materials上，题为“Liquid Metal based Self-healable and Elastic Conductive Fiber in Complex Operating Conditions”，湖南大学化学化工学院硕士生周银为本文第一作者，吴英鹏教授和黄璐副教授为本文通讯作者。

本文将自修复聚合物和可自修复LM结合，通过独特的牺牲模板辅助同轴纺丝(STACS)策略开发了一种弹性自修复导电纤维(C-SHF)，其电学和力学性能可以在室温、水下和低温等较宽的工作范围内实现高效自修复。C-SHF具有良好的拉伸性、电阻稳定性和多场景自修复性能，修复前后的C-SHF在大应变和不同操作环境下作为信号传输线可以稳定的传输数字信号。此外，将C-SHF进一步组装成双LM层的自修复电容传感器(SHS)，可以有效的响应外界的压力刺激，在可穿戴式运动探测器和柔性机器人领域展现出巨大的潜力。

图1. 自修复聚合物(SHP)的分子结构设计、自修复机制及修复性能。(a) SHP的合成路线及修复机制。(b)光学显微镜观测SHP的自修复过程。标尺:200 μm。(c) SHP在室温下修复不同时间后的应力-应变曲线(测试速度为200 mm min^-1)。(d) SHP在水下、-18 °C和-50 °C修复24 h后的应力-应变曲线(测试速度为200 mm min^-1)。

图2. C-SHF的结构设计、制备及性能。(a) C-SHF制备工艺示意图。(b) C-SHF的截面SEM和EDS mapping图像。(c) C-SHF中二硫键与LM的相互作用机理。(d) C-SHF在不同条件下的应力-应变曲线(测试速度为50 mm min^-1)。插图：C-SHF自修复机理图。(e) Au纤维和修复前后C-SHF的相对电阻与拉伸应变的关系。插图：局部放大视图。(f) 50%应变下修复前后C-SHF拉伸-电阻循环测试。插图为拉伸循环不同阶段的放大视图。(g)上图：基于C-SHF自修复特性自编织的织物网。下图：编织织物点亮LED灯泡且每根纤维互不干扰。

图3. 不同操作条件下的方波信号传输。(a) 商业电缆(参照物，黑线)和不同应变下的C-SHF(0%，红线和150%，紫线)在室温条件下，f = 1Hz ~ 1MHz的频率响应。(b-d)修复后的C-SHF在应变为0%(蓝线)和150%(绿线)时，分别在室温(b)、水下(c)和-18 °C (d)的方波信号传输(f = 1 kHz)。

图4. C-SHF的信号传输性能。(a)切割前、切割后、修复后C-SHF的信号传输。(b)碳纸(上图)和C-SHF(下图)在连续拉伸状态下的信号传输。(c) C-SHF和商用电缆传输方波信号的SNR（信噪比）和THD（总谐波失真），f = 1 kHz。其中A: 参照物(商用电缆)，B: C-SHF(应变0%，室温)，C: C-SHF(应变150%，室温)，D:修复后C-SHF (应变0%，室温8 h)，E:修复后C-SHF(应变150%，室温8 h)，F:修复后C-SHF(应变0%，水下24 h)，G:修复后C-SHF (应变150%，水下24 h)，h:修复后C-SHF(应变0%，水下24 h)，I:修复后C-SHF(应变150%，水下24 h)，I:修复后C-SHF(应变150%，水下24 h)，I:修复后C-SHF(应变150%，水下24 h)。(d)视频信号传输装置示意图。(e)不同条件下C-SHF的视频信号传输。

图5. SHS的电容传感特性。(a)传感机制示意图。插图为SHS的结构。(b)切割前(上图)和修复后(下图)的 SHS在不同压力下的相对电容变化。(c)切割前(上)和修复后(下)的SHS检测手指弯曲的变化。(d) SHS检测面部运动：微笑和脸颊鼓起。(e) SHS检测喉部运动：吞咽和咳嗽。(f)夹持橘子的压力响应，模拟机器人夹持物品的过程。

作者采用动态共价亚胺键和二硫键构建了在多种复杂环境下具有高效修复效率的SHP。随后，通过独特的STACS技术和简单的涂覆方法，将SHP和LM结合制备出一种新型的C-SHF。C-SHF具有优异的力学性能、拉伸性能、导电性和自修复性能。在没有任何外界刺激的情况下，C-SHF在室温、水下和低温等环境下都具备较高的修复效率。作为信号传输线，C-SHF在自修复前后以及大应变条件下可以稳定且不失真的传输各种电信号。进一步，将C-SHF组装成SHS可有效响应外界的力刺激，能够作为人体运动探测器。该自修复导电纤维及自修复传感器在多场景下的多功能智能纺织品和可穿戴电子产品中具有广阔的应用前景。

原文链接：Yin Zhou, Yingying Zhu, Zu-An Hu, Xiaoying Yang, Pengkun Yang, Lu Huang*, Yingpeng Wu*, Liquid Metal based Self-healable and Elastic Conductive Fiber in Complex Operating Conditions, Energy & Environmental Materials, 2022, DOI: 10.1002/eem2.12448https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12448

课题组简介：

吴英鹏教授课题组隶属于湖南大学化学化工学院、化学生物传感与计量学国家重点实验室。现有教授1人，副教授1人，助理教授1人，博士后1人，博士硕士研究生20余名。课题组负责人吴英鹏教授是湖南大学化学化工学院化学系主任，博士生导师，湖南大学岳麓学者，湖湘高层次人才聚集工程创新人才，国家青年千人。近年来，发表论文50余篇，累计引用超过8000次，h因子31；其中第一作者/通讯作者论文包括：Nature, Nature Photonics, Nature Communications, iScience, Cell Reports Physical Science, Energy & Environmental Science, Advanced Material, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Nano Energy, ACS Nano, Energy & Environmental Materials等国际著名杂志。课题组研究工作主要围绕能量的存储与转化展开，主要包括：（1）新型无机材料的制备及其在电化学中的应用，（2）智能高分子功能材料的设计制备及在储能与换能器件中的应用。

课题组欢迎各类人才的加入，包括助理教授，博士后，研究生，访问学者，交换生等，希望能同大家共同奋斗！

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（责任编辑：xu）

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