电子纺织品是未来可穿戴电子设备的重要形态，其功能模块的无缝集成有望推动可穿戴设备柔性化、轻质化和舒适化。弹性导电纤维（ECF）是电子纺织品的理想电极材料之一，具有质轻、灵活和集成度高等优点，保证电子纺织品的电气稳定性和穿戴舒适性。在弹性导电基础上赋予ECF温度与形变自适应性，对ECF在高质量电子纺织品、穿戴设备、软体机器人和极端环境电子设备上的应用至关重要，然而在微尺度纤维中平衡机械-电学-热学性能，开发兼具高弹性、高导电和温度/形变适应性ECF极具挑战。

  近日，东华大学熊佳庆课题组设计了一种由热塑性聚氨酯（TPU）、微米银片（AgFK）和液态金属微球（LMMS）构成的三元复合ECF（PUAL纤维），并揭示了其冷/热/拉伸激活的三组分动态协同电学增强机制。PUAL纤维可在高/低温环境下，自主提升电导率与电学稳定性：电导率可从室温的1070 S cm^?1分别增加到1160 S cm^?1（-30 ℃），与 3020 S cm^?1（180 ℃），纤维经高温下1000次循环拉伸后可保持良好机电稳定性（80 °C，60%应变，电阻变化率仅270%），并表现出规模化生产潜力和良好的编织/缝纫性，在生物医用电极、高/低温近场通讯和智能消防服等方面展示出广泛应用前景。

  相关成果以“A temperature-adaptive component-dynamic-coordinated strategy for high-performance elastic conductive fibers”为题发表在《Nature Communications》上。论文第一作者为东华大学博士生张悦，通讯作者为东华大学研究员熊佳庆。该研究得到国家自然科学基金等项目资助。

图1. PUAL纤维设计与性能

图2. PUAL纤维的组分协同工作机制

  PUAL纤维高导电性关键在于湿法纺丝诱导的AgFKs定向排列与LMMSs的桥接作用。湿法纺丝具有简单、高效和低成本等优点，文章通过有限元流体仿真，揭示了二维填料AgFK在纺丝针头处剪切力作用下的取向排列（取向度＞80%），这是在微尺度纤维中形成可靠导电路径的关键（图1，2）；同时引入LMMS作为软导电填料，有效桥接AgFKs，共同构建二元导电路径。经冷/热或同步机械激活，LMMS可变形或破裂以释放LM，自主补偿导电路径；同时，TPU基体表现出良好热力学行为，在冷-热环境（-30 °C～180 °C）可发生可逆体积收缩/膨胀，动态增强填料间的电学连接。同时，文章探究了基于SIS, SEBS等其它弹性体基质的二元导电配方纤维，发现其也表现出类似热响应电学增强行为，为环境适应性ECF的开发提供了一种普适性策略。

图3. 高温下PUAL纤维的导电增强机制

  高温下PUAL纤维的导电性增强归因于热诱导下各组分间的动态协同电学连接增强机制，包括AgFK高取向、AgFK脱脂暴露和LMMS动态桥接（图3）。加热过程可逐渐去除AgFK表面的润滑层（热脱脂过程），使其充分暴露，降低接触电阻；同时，LMMS在特定高温条件下会发生变形或破裂，通过形变或液态金属释放进一步提升AgFK电学连接，实现导电通路高温自补偿，共同增强纤维导电性。

图4. 高温下PUAL纤维的动态机电稳定性增强机制

  电子纺织品在应用中不可避免经历宏观/微观尺度变形与各类机械刺激，易产生局部拉伸应变并影响ECF性能，因此需确保ECF在循环拉伸时保持良好机/电稳定性，以克服相应挑战。本文PUAL纤维在受热拉伸下可匀化AgFKs和LMMSs并提升其取向连接；同时，循环拉伸中LMMSs受力破裂，释放液态金属，可动态补偿拉伸形变下AgFK的电学连接，提升纤维在循环拉伸激活或高温拉伸激活下的电学稳定性（图4）。研究证明，PUAL纤维经80 °C热处理30 min后仍可保持良好机械性能（拉伸强度为8.2 MPa，断裂应变为450%），经高温下1000次循环拉伸后（80°C、60%应变），其电阻变化率仅为270%，展示出良好的高温-拉伸适应性和电学稳定性。

图5. 低温下PUAL纤维的静态/动态电学性能增强

  低温和低温-拉伸下PUAL纤维同样表现出自主增强的导电性及导电稳定性。低温下，TPU基体发生可逆收缩，诱导导电填料紧密排列以增强纤维的导电性；低温-拉伸则进一步诱导LMMS变形或破裂，提供额外电学补偿以增强纤维电学稳定性（图5）。纤维经-20 °C处理30 min后，仍保持~8 MPa拉伸强度和400%断裂应变，且在100%应变下拉伸100个循环后保持良好电学性能。基于良好的低温机电稳定性，PUAL纤维可编织到日用棉织物中作为电加热器，即便在低温下（-30°C至-10 °C）也能实现低电压加热，为极端条件下穿戴式热管理提供了可能。

图6. ECF的可编织性和医疗、极端环境可穿戴应用

  PUAL纤维可自体编织成2D和3D结构、也可集成至大面积弹性织物中，形成各类复杂、可靠的图案化电极；代替商用凝胶电极，该纤维能实现高精度连续心电监测，且显示良好的耐洗性，经1500分钟机洗后仍保持稳定电导率（~1070 S cm^?1）。利用该纤维作为通讯线圈开发的近场通信手套，可在寒冷或高温环境下正常操控门禁。而利用PUAL纤维的热响应导电性变化，用其缝制的手套可通过非接触方式识别冷/热物体；此外，将PUAL纤维定制化集成到消防服上，可实现无线高温预警与同步运动监测，展现了其在智能防护装备领域的应用潜力。

  综上，本研究通过湿纺诱导剪切流开发了一类温度/形变自适应电学增强型ECF。典型地，TPU基体提供高弹性并包覆保护导电填料，取向排列的AgFKs主导形成了可靠导电路径，LMMS作为软填料提升了AgFK间电学连接。纤维在-30 °C至180 °C温度范围内表现出自主增强的导电性和电学稳定性，其中，加热可促进AgFK脱脂暴露，而冷冻使TPU基体收缩，均可有效促进导电填料排列和连接。此外，纤维在常温及冷/热环境下经机械拉伸激活可进一步释放液态金属，提升纤维的电学稳定性。这种普适性组分动态协同作用的机械-热学-电学耦合机制实现了具有温度适应性、环境耐久性（紫外/湿度/机洗）、机电稳定性和规模化生产潜力的ECF，经缝合或编织可开发成各种电子纺织品。文章全面展示了其在日常穿戴、生物医用电极、温度指示器、温度自适应电加热器、近场通讯和智能服装中的应用潜力，为高性能导电纤维开发和发展提供了新思路。

  文章信息：Y Zhang, Z Ming, Z Zhou, X Wei, J Huang, Y Zhang, W Li, L Zhu, S Wang, M Wu, Z Lu, X Zhou,J Xiong*, A temperature-adaptive component-dynamic-coordinated strategy for high-performance elastic conductive fibers, Nature Communications, 2025, 16, 6785.

  原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-62140-y

  课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/xiong_jiaqing