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液态金属导电纤维

开发出具有针织结构的液态金属导电纤维。柔性导电纤维在健康监测、智能机器人和人机交互等领域显示出巨大的应用前景。然而,大部分的柔性导电材料难以满足高导电性和高拉伸性的应用需求。液态金属的金属和液体特性使得这种柔性导电纤维具有极佳的导电性和拉伸性。此外,液态金属纤维的针织结构可显著降低纤维在拉伸状态下的电阻变异。进一步的,我们将这种液态金属纤维与多种刚性电子器件连接,制造出可拉伸的LED阵列和用于ECG监测的智能衣服,其电路功能不受人体日常活动的影响。
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随着电子科技和纺织科技的飞速发展,纺织品的功能化、智能化成为了一个研究热点。其中,导电纤维的研究受到了广泛的关注。与传统的金属导线相比,导电纤维不仅具有柔软性和可塑性,而且可以被纺织成各种形状,为电子设备的柔性化和多样化提供了可能。因此,导电纤维在医疗、智能纺织品、可穿戴电子设备等领域具有重要的应用前景。


目前常见的导电纤维多采用刚性金属材料或碳基材料制造而成,但是刚性金属或碳基材料的柔性较差,不能实现柔性导电纤维的大尺度拉伸性能,限制了其在可穿戴设备领域的应用。近年来,具有金属级别导电性与无限变形能力的液态金属因具有解决上述问题的潜力而吸引了研究者们的目光。液态金属是指在室温或室温附近保持液体状态的金属。基于液态金属的可拉伸导电纤维具有良好的导电性能和拉伸性能。目前常用的液态金属可拉伸导电纤维的制备方法包括模板法、微流道注射、涂敷法和喷涂法等。例如,一些研究者使用模板法,制备出了具有优良导电性能和柔韧性的液态金属导电纤维。另外,还有研究者使用微流控技术制备液态金属导电纤维,可以控制纤维的直径和形状,从而实现对纤维性能的精确调控[18-21]。涂覆法制备:将液态金属导电材料涂覆在纤维或其他织物的表面,形成液态金属的智能织物。喷涂法是指利用喷涂技术将液态金属导电材料喷涂在纤维或其他织物的表面,形成液态金属的智能织物。然而,模板法制备液态金属导电纤维时需要制备模板,模板的制备过程较为复杂,增加了制备的难度和成本。涂敷法和喷涂法则是比较简单、快速的制备方法,但相对来说功能和性能较为有限。


本研究采用微管道注射法制备液态金属可拉伸导电纤维。液态金属被注入到商用硅胶管中,使其在导电性能和柔软性之间达到平衡。该方法操作简单,已经得到广泛的应用。并采用针织结构进一步降低液态金属可拉伸导电纤维在拉伸过程中电阻的变化,能够满足智能纺织品、柔性电子设备等领域对导电纤维的多样化需求。并展示了针织结构的液态金属可拉伸导电纤维在可穿戴心电监测领域的应用前景。


液态金属导电纤维被缝制在针织织物中。与其他将液态金属图案转移到纺织品上的方法(如丝网印刷、转印)相比,这种方法可以将液态金属纤维稳定地固定在织物中,而且液态金属纤维的编织结构可以显著降低织物拉伸过程中导线的电阻变异。液态金属纤维是通过注射器将液态金属注入硅胶管制成的,并在纤维两端插入铜丝来防止液态金属泄露,并与其他电路进行连接(图1A)。硅胶管所用的材料有极好的耐高温(250-300℃)和耐低温(-40-60℃)性能,有良好的生物安全性,拉伸强度为7.5MPa,伸长率可达450%。使用的液态金属是镓铟合金(EGaIn24.5)由于其优良的导电性,在室温下为液态和低毒性。


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