由于其低熔點、高導電性的優(yōu)點，液態(tài)金屬材料在柔性傳感器制備方面具有獨特的優(yōu)勢。近年來報道的基于液態(tài)金屬的纖維狀柔性電子器件具有工藝簡單、可編織和高拉伸性的優(yōu)點，表現(xiàn)出巨大的應用潛質，逐漸引起國內外研究者的興趣。目前，大多數基于液態(tài)金屬的纖維狀柔性電子器件通常是將液態(tài)金屬灌注在柔性硅膠管道內制作成可拉伸導電纖維。
近日，來自清華大學的劉靜教授和張瑩瑩教授的研究團隊聯(lián)合開發(fā)了一種新型液態(tài)金屬智能復合纖維。不同于傳統(tǒng)管道灌注方法制備的液態(tài)金屬拉伸導電纖維，這種液態(tài)金屬智能復合纖維將半液態(tài)金屬材料作為導電涂層，位于智能纖維的最外層。研究人員特意將半液態(tài)金屬涂層暴露在最外層，目的在于充分利用半液態(tài)金屬材料具有的低熔點、接觸潤濕的特點，實現(xiàn)智能纖維在固液轉換狀態(tài)下的力學性能調控，以及多組纖維液相焊接使能的電學性能調控。此外，利用智能纖維的可編織特性，研究人員開發(fā)出多種功能的液態(tài)金屬導電纖維織物，展示出其在可穿戴電子領域的應用前景。
在之前該實驗室液態(tài)金屬智能纖維研究基礎上，研究人員為解決液態(tài)金屬鎵銦合金流動性強，難以穩(wěn)定附著在纖維表面的問題，改進了液態(tài)金屬智能纖維的制備工藝，使用塑形能力較強的半液態(tài)金屬材料（Cu-Ga-In）作為纖維導電涂層。這種摻雜固體金屬顆粒的半液態(tài)金屬材料不僅可以在一定時間內穩(wěn)定維持原有的粘附狀態(tài)，而且保留了液態(tài)金屬低熔點、接觸潤濕的特點。在該研究中，研究人員選用多種天然和人造纖維作為智能纖維的內核，如超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE），天然棉纖維、頭發(fā)以及聚氨酯（PU）彈性纖維等。此外，為進一步提高半液態(tài)金屬材料在這些纖維表面的粘附性，研究人員將一種對半液態(tài)金屬材料粘附性極好的PMA涂層附著在內核纖維的表面。
由于這些纖維自身具有不同的力學特性，因此使用該方法可制造出具有不同力學性能的導電纖維。例如使用高強度UHMWPE纖維制作的導電纖維具有超高的抗拉特性，在吊起重物的同時，能夠保持穩(wěn)定的導電特性。
此外，由于天然棉纖維具有成本低廉，易于編織的特點，研究人員將以天然棉線作為內核的半液態(tài)金屬智能纖維進行編織，開發(fā)出無線充電線圈和可拉伸網狀導電織物等大面積的可穿戴柔性電子設備。
最后，本研究以PU彈性纖維作為內核制造出可拉伸導電纖維，并能在300%拉伸狀態(tài)下保持穩(wěn)定的電學特性，表現(xiàn)出較高的拉伸性和抗疲勞特性。此外，研究發(fā)現(xiàn)將兩根可拉伸導電纖維并列組合，外層的半液態(tài)金屬可以自動接觸潤濕，形成液橋。而且兩根纖維之間的縫隙使得半液態(tài)金屬涂層分布更加均勻，顯著提高了可拉伸纖維的導電性能。根據這種現(xiàn)象，研究人員將多組可拉伸纖維首尾連接、并列排布，并且能夠在纖維組的拉伸過程中調整纖維間距，使得部分纖維接觸形成液橋，造成線路短路，降低纖維組的整體電阻。因此，利用纖維之間形成的液橋可實現(xiàn)拉伸纖維的電阻調控。
圖5 以PU彈性纖維為內核的可拉伸導電纖維組的可調控電阻特性
該成果以“Smart semiliquid metal fibers with?designed mechanical properties for room temperature?stimulus response and liquid welding“發(fā)表在國際知名期刊Applied Materials Today，清華大學博士生國瑞和王惠民為共同第一作者，通訊作者為清華大學劉靜教授和張瑩瑩教授。
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https://doi.org/10.1016/j.apmt.2020.100738
