清华危岩教授、之江实验室马志军研究员等《Prog. Mater. Sci.》综述：可拉伸导电纤维的设计、性能及应用

2024-03-27 来源：高分子科技

近日，清华大学危岩教授与之江实验室马志军研究员团队合作在国际材料科学研究领域顶级期刊《Progress in Materials Science》（IF 37.4）上发表了题为“Stretchable conductive fibers: Design, properties and applications”的综述文章。本综述总结归纳了可拉伸导电纤维（SCFs）的结构设计与研究应用进展，为以应用导向的导电纤维给出一定的见解。本综述具体从材料选择、结构设计、和应用领域三个方面进行了系统的梳理，深入分析了SCFs的结构特点与设计应用之间的关系。详细讨论了SCFs在柔性电极、应变传感、功率/信号传输及柔性执行器等应用中的突出优势，总结并展望其面临的挑战和未来发展的方向。

一、研究背景

SCFs作为一种兼备纤维材料与可拉伸电子优点的新兴材料，已被广泛应用于机器人、生物电子、柔性能源设备及柔性显示器等电子器件（图1）。由于其优异的拉伸性、顺应性、导电性和可集成性，SCFs广受学术界和工业界的青睐。尽管研究者们在可拉伸导电纤维领域倾注了大量的热情，但SCFs的设计与应用之间的内在联系尚未得到明确阐述，阻碍了该领域的进一步发展。在本综述中，他们通过详细分析SCFs的关键特性，揭示了设计与应用之间的内在联系，进而为应用导向的SCFs设计提供全面的指导（图2）。希望这篇综述将为广大功能纤维材料领域的科学家、工程师及研究生的科研工作提供见解和灵感。

图1、可拉伸导电纤维的研究进展史

图2、可拉伸导电纤维的结构设计、性能特征、及应用领域

二、本综述要点

1.可拉伸导电纤维的设计与制备

SCFs属于柔性电子与纤维材料的交叉领域，可以通过将本征可拉伸导电材料加工成纤维形式来制备，或通过后处理使绝缘可拉伸纤维具有导电性。与刚性金属丝和导电树脂等常见的传统导电材料相比，SCFs在设计过程中面临有限截面内导电性与拉伸性之间矛盾，即拉伸会迅速破坏纤维中的导电通路，导致导电性下降，进而影响器件的性能。本综述从SCFs的结构与材料设计入手，介绍了有效平衡SCFs拉伸性和导电性的螺旋、屈曲和蛇形等几何结构，并讨论了构成SCFs的各类材料的特性及其优缺点，包含0D的炭黑和金属纳米颗粒；1D的金属纳米线和碳纳米管；2D的金属纳米片、Mxene和石墨烯；本征导电聚合物、离子导体以及液态金属。此外，本综述详细描述了不同结构和材料组成的SCF适用的制备策略、组合方案及底层原理，包括涂层、物理／化学沉积、纺丝、热拉丝等（图3）。

图3、可拉伸导电纤维的结构设计：a、层状互锁螺旋导电纤维结构；b、蛇形可拉伸电纤维结构；c、层状屈曲可拉伸导电纤维结构

2.可拉伸导电纤维的关键性能

机械性能和电气性能以及由两者结合而产生的力电性能是SCFs最受关注的关键性能。SCFs的性能表现取决于其结构、组成和制备方法，并决定了它们的应用。本综述通过剖析表征SCFs力学、电学及动态力电性能的物理量，对其关键性能及影响因素进行了系统分析。值得一提的是，根据已报道的SCFs在拉伸过程中的应力应变曲线及相对电阻变化曲线，本综述首次总结了SCFs的关键性能分类曲线，结合线性弹性和非线性弹性理论讨论了SCFs力学参数随拉伸形变的变化，结合渗流理论和隧穿效应讨论了SCFs在拉伸过程中的电学稳定性及灵敏度，有望为SCFs的性能调控和模型搭建提供指导（图4）。

图4、a、可拉伸导电纤维力学的常见应力-应变曲线；b、可拉伸导电纤维力学的常见电阻率-应变曲线

3.可拉伸导电纤维的应用

可拉伸导电纤维在各个领域表现出超越传统材料的应用优势，典型的应用实例包括柔性电极、应变传感器、功率/信号传输和柔性执行器。基于SCFs的电子器件重量轻、透气性好、集成度高，可以方便地集成到各种柔性器件中构建模块化多功能电极阵列，或编织于日常服装中用于健康监测和可穿戴显示。此外，由生物相容性材料构成的SCFs可以置于体内，实现电子器件与生物系统的连接，而SCFs衍生的柔性执行器可以在复杂和狭窄的环境中执行特殊操作，是管道机器人和软机器人的理想选择。本综述重点展示了上述四类基于SCFs的电子器件及其在现实场景中的应用，并指出了现有器件在实际应用中存在的局限性和值得深入探索的领域（图5，图6）。

图5、可拉伸导电纤维作为电极的应用：a、蠕虫状石墨烯微层结构的仿生导电纤维；b、可拉伸导电纤维pH传感器电极；c、Cu/PU三维螺旋导电纤维的制备及其作为可穿戴照明腕带的引用；d、Li-Zno@CNT导电纤维及其在可拉伸纤维状电池上的应用；e、螺旋带状导电纤维及其应用；f、导电涂层纤维及其作为植入式生物电极的应用

图6、可拉伸导电纤维作为应变传感器的应用：a、应用于跆拳道服多部位应力检测的电子纺织品；b、用于检测弯曲和扭转以及血液脉冲和声音识别传感器；c、可释药电子缝线监测创面应变状态传感器；d、用于手势识别的导电纤维传感器

4.结论与展望

本综述从智能柔性电子器件对SCF的需求出发，综述了SCF的设计策略、关键性能与典型应用，并揭示了三者之间的密切关联。尽管SCF已被广泛研究并应用于各类场景，然而其在实际生产生活中的使用仍需要解决一些列问题，如SCF的低成本自动化大规模制造与高稳定精细加工、基于SCF的多模态器件及高精度体内嵌入式器件的开发、SCF制造技术人工智能和材料计算的结合。

之江实验室博士后宋晓珂与清华大学博士研究生季久江为本综述共同第一作者；清华大学危岩教授、之江实验室马志军研究员、瞿瑞祥助理研究员、李恒毅助理研究员为本综述共同通讯作者；浙江大学博士研究生：周宁静和陈梦佳；之江实验室博士后张利昂和助理研究员马思远为本综述的共同参与作者。

文章链接 https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2024.101288

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（责任编辑：xu）

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