清華危巖教授、之江實驗室馬志軍研究員等《Prog. Mater. Sci.》綜述：可拉伸導(dǎo)電纖維的設(shè)計、性能及應(yīng)用
近日，清華大學危巖教授與之江實驗室馬志軍研究員團隊合作在國際材料科學研究領(lǐng)域頂級期刊《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)計與研究應(yīng)用進展，為以應(yīng)用導(dǎo)向的導(dǎo)電纖維給出一定的見解。本綜述具體從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、和應(yīng)用領(lǐng)域三個方面進行了系統(tǒng)的梳理，深入分析了SCFs的結(jié)構(gòu)特點與設(shè)計應(yīng)用之間的關(guān)系。詳細討論了SCFs在柔性電極、應(yīng)變傳感、功率/信號傳輸及柔性執(zhí)行器等應(yīng)用中的突出優(yōu)勢，總結(jié)并展望其面臨的挑戰(zhàn)和未來發(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)點的新興材料，已被廣泛應(yīng)用于機器人、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廣受學術(shù)界和工業(yè)界的青睞。盡管研究者們在可拉伸導(dǎo)電纖維領(lǐng)域傾注了大量的熱情，但SCFs的設(shè)計與應(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)域的進一步發(fā)展。在本綜述中，他們通過詳細分析SCFs的關(guān)鍵特性，揭示了設(shè)計與應(yīng)用之間的內(nèi)在聯(lián)系，進而為應(yīng)用導(dǎo)向的SCFs設(shè)計提供全面的指導(dǎo)（圖2）。希望這篇綜述將為廣大功能纖維材料領(lǐng)域的科學家、工程師及研究生的科研工作提供見解和靈感。
圖1、可拉伸導(dǎo)電纖維的研究進展史
圖2、可拉伸導(dǎo)電纖維的結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能特征、及應(yīng)用領(lǐng)域
二、本綜述要點
1.可拉伸導(dǎo)電纖維的設(shè)計與制備
SCFs屬于柔性電子與纖維材料的交叉領(lǐng)域，可以通過將本征可拉伸導(dǎo)電材料加工成纖維形式來制備，或通過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)電樹脂等常見的傳統(tǒng)導(dǎo)電材料相比，SCFs在設(shè)計過程中面臨有限截面內(nèi)導(dǎo)電性與拉伸性之間矛盾，即拉伸會迅速破壞纖維中的導(dǎo)電通路，導(dǎo)致導(dǎo)電性下降，進而影響器件的性能。本綜述從SCFs的結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計入手，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，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：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。本綜述通過剖析表征SCFs力學、電學及動態(tài)力電性能的物理量，對其關(guān)鍵性能及影響因素進行了系統(tǒng)分析。值得一提的是，根據(jù)已報道的SCFs在拉伸過程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線及相對電阻變化曲線，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在拉伸過程中的電學穩(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)電纖維力學的常見應(yīng)力-應(yīng)變曲線；b、可拉伸導(dǎo)電纖維力學的常見電阻率-應(yīng)變曲線
3.可拉伸導(dǎo)電纖維的應(yīng)用
可拉伸導(dǎo)電纖維在各個領(lǐng)域表現(xiàn)出超越傳統(tǒng)材料的應(yīng)用優(yōu)勢，典型的應(yīng)用實例包括柔性電極、應(yīng)變傳感器、功率/信號傳輸和柔性執(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，是管道機器人和軟機器人的理想選擇。本綜述重點展示了上述四類基于SCFs的電子器件及其在現(xiàn)實場景中的應(yīng)用，并指出了現(xiàn)有器件在實際應(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)力檢測的電子紡織品；b、用于檢測彎曲和扭轉(zhuǎn)以及血液脈沖和聲音識別傳感器；c、可釋藥電子縫線監(jiān)測創(chuàng)面應(yīng)變狀態(tài)傳感器；d、用于手勢識別的導(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SCF的需求出發(fā)，綜述了SCF的設(shè)計策略、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)用于各類場景，然而其在實際生產(chǎn)生活中的使用仍需要解決一些列問題，如SCF的低成本自動化大規(guī)模制造與高穩(wěn)定精細加工、基于SCF的多模態(tài)器件及高精度體內(nèi)嵌入式器件的開發(fā)、SCF制造技術(shù)人工智能和材料計算的結(jié)合。
之江實驗室博士后宋曉珂與清華大學博士研究生季久江為本綜述共同第一作者；清華大學危巖教授、之江實驗室馬志軍研究員、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；浙江大學博士研究生：周寧靜和陳夢佳；之江實驗室博士后張利昂和助理研究員馬思遠為本綜述的共同參與作者。
文章鏈接 https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2024.101288
