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湖南大學吳英鵬教授課題組《Energy Environ. Mater.》：多場景液態(tài)金屬基自修復彈性導電纖維

2022-06-28 來源：高分子科技

柔性可穿戴電子產品在醫(yī)療保健、軟機器人、人機界面等領域得到了廣泛的研究。柔性導電纖維作為可穿戴電子產品和智能紡織品的重要組成部分，受到了廣泛的關注。然而，在不同的應用場景中，導電纖維不可避免地會發(fā)生彎曲、拉伸等情況，從而導致設備斷裂或損壞。因此，開發(fā)長壽命、高彈性的導電纖維具有重要意義。

受自然界自修復現象啟發(fā)，將自修復特性集成到導電纖維中，可以賦予其結構和功能的修復能力，提高設備的使用壽命和耐久性。近期，湖南大學化學化工學院吳英鵬教授課題組通過結合自修復聚合物（SHP）和可自修復的液態(tài)金屬（LM）電極，制備了一種彈性自修復導電纖維（C-SHF）。C-SHF可在多種復雜的操作條件下均具有良好的自修復能力。而后將其應用于自修復信號傳輸線及可穿戴自修復傳感器領域，展示了廣闊的應用前景。該研究成果發(fā)表在高水平國產期刊Energy & Environmental Materials上，題為“Liquid Metal based Self-healable and Elastic Conductive Fiber in Complex Operating Conditions”，湖南大學化學化工學院碩士生周銀為本文第一作者，吳英鵬教授和黃璐副教授為本文通訊作者。

本文將自修復聚合物和可自修復LM結合，通過獨特的犧牲模板輔助同軸紡絲(STACS)策略開發(fā)了一種彈性自修復導電纖維(C-SHF)，其電學和力學性能可以在室溫、水下和低溫等較寬的工作范圍內實現高效自修復。C-SHF具有良好的拉伸性、電阻穩(wěn)定性和多場景自修復性能，修復前后的C-SHF在大應變和不同操作環(huán)境下作為信號傳輸線可以穩(wěn)定的傳輸數字信號。此外，將C-SHF進一步組裝成雙LM層的自修復電容傳感器(SHS)，可以有效的響應外界的壓力刺激，在可穿戴式運動探測器和柔性機器人領域展現出巨大的潛力。

圖1. 自修復聚合物(SHP)的分子結構設計、自修復機制及修復性能。(a) SHP的合成路線及修復機制。(b)光學顯微鏡觀測SHP的自修復過程。標尺:200 μm。(c) SHP在室溫下修復不同時間后的應力-應變曲線(測試速度為200 mm min^-1)。(d) SHP在水下、-18 °C和-50 °C修復24 h后的應力-應變曲線(測試速度為200 mm min^-1)。

圖2. C-SHF的結構設計、制備及性能。(a) C-SHF制備工藝示意圖。(b) C-SHF的截面SEM和EDS mapping圖像。(c) C-SHF中二硫鍵與LM的相互作用機理。(d) C-SHF在不同條件下的應力-應變曲線(測試速度為50 mm min^-1)。插圖：C-SHF自修復機理圖。(e) Au纖維和修復前后C-SHF的相對電阻與拉伸應變的關系。插圖：局部放大視圖。(f) 50%應變下修復前后C-SHF拉伸-電阻循環(huán)測試。插圖為拉伸循環(huán)不同階段的放大視圖。(g)上圖：基于C-SHF自修復特性自編織的織物網。下圖：編織織物點亮LED燈泡且每根纖維互不干擾。

圖3. 不同操作條件下的方波信號傳輸。(a) 商業(yè)電纜(參照物，黑線)和不同應變下的C-SHF(0%，紅線和150%，紫線)在室溫條件下，f = 1Hz ~ 1MHz的頻率響應。(b-d)修復后的C-SHF在應變?yōu)?/span>0%(藍線)和150%(綠線)時，分別在室溫(b)、水下(c)和-18 °C (d)的方波信號傳輸(f = 1 kHz)。

圖4. C-SHF的信號傳輸性能。(a)切割前、切割后、修復后C-SHF的信號傳輸。(b)碳紙(上圖)和C-SHF(下圖)在連續(xù)拉伸狀態(tài)下的信號傳輸。(c) C-SHF和商用電纜傳輸方波信號的SNR（信噪比）和THD（總諧波失真），f = 1 kHz。其中A: 參照物(商用電纜)，B: C-SHF(應變0%，室溫)，C: C-SHF(應變150%，室溫)，D:修復后C-SHF (應變0%，室溫8 h)，E:修復后C-SHF(應變150%，室溫8 h)，F:修復后C-SHF(應變0%，水下24 h)，G:修復后C-SHF (應變150%，水下24 h)，h:修復后C-SHF(應變0%，水下24 h)，I:修復后C-SHF(應變150%，水下24 h)，I:修復后C-SHF(應變150%，水下24 h)，I:修復后C-SHF(應變150%，水下24 h)。(d)視頻信號傳輸裝置示意圖。(e)不同條件下C-SHF的視頻信號傳輸。

圖5. SHS的電容傳感特性。(a)傳感機制示意圖。插圖為SHS的結構。(b)切割前(上圖)和修復后(下圖)的 SHS在不同壓力下的相對電容變化。(c)切割前(上)和修復后(下)的SHS檢測手指彎曲的變化。(d) SHS檢測面部運動：微笑和臉頰鼓起。(e) SHS檢測喉部運動：吞咽和咳嗽。(f)夾持橘子的壓力響應，模擬機器人夾持物品的過程。

作者采用動態(tài)共價亞胺鍵和二硫鍵構建了在多種復雜環(huán)境下具有高效修復效率的SHP。隨后，通過獨特的STACS技術和簡單的涂覆方法，將SHP和LM結合制備出一種新型的C-SHF。C-SHF具有優(yōu)異的力學性能、拉伸性能、導電性和自修復性能。在沒有任何外界刺激的情況下，C-SHF在室溫、水下和低溫等環(huán)境下都具備較高的修復效率。作為信號傳輸線，C-SHF在自修復前后以及大應變條件下可以穩(wěn)定且不失真的傳輸各種電信號。進一步，將C-SHF組裝成SHS可有效響應外界的力刺激，能夠作為人體運動探測器。該自修復導電纖維及自修復傳感器在多場景下的多功能智能紡織品和可穿戴電子產品中具有廣闊的應用前景。

原文鏈接：Yin Zhou, Yingying Zhu, Zu-An Hu, Xiaoying Yang, Pengkun Yang, Lu Huang*, Yingpeng Wu*, Liquid Metal based Self-healable and Elastic Conductive Fiber in Complex Operating Conditions, Energy & Environmental Materials, 2022, DOI: 10.1002/eem2.12448https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12448

課題組簡介：

吳英鵬教授課題組隸屬于湖南大學化學化工學院、化學生物傳感與計量學國家重點實驗室。現有教授1人，副教授1人，助理教授1人，博士后1人，博士碩士研究生20余名。課題組負責人吳英鵬教授是湖南大學化學化工學院化學系主任，博士生導師，湖南大學岳麓學者，湖湘高層次人才聚集工程創(chuàng)新人才，國家青年千人。近年來，發(fā)表論文50余篇，累計引用超過8000次，h因子31；其中第一作者/通訊作者論文包括：Nature, Nature Photonics, Nature Communications, iScience, Cell Reports Physical Science, Energy & Environmental Science, Advanced Material, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Nano Energy, ACS Nano, Energy & Environmental Materials等國際著名雜志。課題組研究工作主要圍繞能量的存儲與轉化展開，主要包括：（1）新型無機材料的制備及其在電化學中的應用，（2）智能高分子功能材料的設計制備及在儲能與換能器件中的應用。

課題組歡迎各類人才的加入，包括助理教授，博士后，研究生，訪問學者，交換生等，希望能同大家共同奮斗！

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（責任編輯：xu）

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