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  電子紡織品是未來可穿戴電子設備的重要形態，其功能模塊的無縫集成有望推動可穿戴設備柔性化、輕質化和舒適化。彈性導電纖維（ECF）是電子紡織品的理想電極材料之一，具有質輕、靈活和集成度高等優點，保證電子紡織品的電氣穩定性和穿戴舒適性。在彈性導電基礎上賦予ECF溫度與形變自適應性，對ECF在高質量電子紡織品、穿戴設備、軟體機器人和極端環境電子設備上的應用至關重要，然而在微尺度纖維中平衡機械-電學-熱學性能，開發兼具高彈性、高導電和溫度/形變適應性ECF極具挑戰。

  近日，東華大學熊佳慶課題組設計了一種由熱塑性聚氨酯（TPU）、微米銀片（AgFK）和液態金屬微球（LMMS）構成的三元復合ECF（PUAL纖維），并揭示了其冷/熱/拉伸激活的三組分動態協同電學增強機制。PUAL纖維可在高/低溫環境下，自主提升電導率與電學穩定性：電導率可從室溫的1070 S cm^?1分別增加到1160 S cm^?1（-30 ℃），與 3020 S cm^?1（180 ℃），纖維經高溫下1000次循環拉伸后可保持良好機電穩定性（80 °C，60%應變，電阻變化率僅270%），并表現出規模化生產潛力和良好的編織/縫紉性，在生物醫用電極、高/低溫近場通訊和智能消防服等方面展示出廣泛應用前景。

  相關成果以“A temperature-adaptive component-dynamic-coordinated strategy for high-performance elastic conductive fibers”為題發表在《Nature Communications》上。論文第一作者為東華大學博士生張悅，通訊作者為東華大學研究員熊佳慶。該研究得到國家自然科學基金等項目資助。

圖1. PUAL纖維設計與性能

圖2. PUAL纖維的組分協同工作機制

  PUAL纖維高導電性關鍵在于濕法紡絲誘導的AgFKs定向排列與LMMSs的橋接作用。濕法紡絲具有簡單、高效和低成本等優點，文章通過有限元流體仿真，揭示了二維填料AgFK在紡絲針頭處剪切力作用下的取向排列（取向度＞80%），這是在微尺度纖維中形成可靠導電路徑的關鍵（圖1，2）；同時引入LMMS作為軟導電填料，有效橋接AgFKs，共同構建二元導電路徑。經冷/熱或同步機械激活，LMMS可變形或破裂以釋放LM，自主補償導電路徑；同時，TPU基體表現出良好熱力學行為，在冷-熱環境（-30 °C～180 °C）可發生可逆體積收縮/膨脹，動態增強填料間的電學連接。同時，文章探究了基于SIS, SEBS等其它彈性體基質的二元導電配方纖維，發現其也表現出類似熱響應電學增強行為，為環境適應性ECF的開發提供了一種普適性策略。

圖3. 高溫下PUAL纖維的導電增強機制

  高溫下PUAL纖維的導電性增強歸因于熱誘導下各組分間的動態協同電學連接增強機制，包括AgFK高取向、AgFK脫脂暴露和LMMS動態橋接（圖3）。加熱過程可逐漸去除AgFK表面的潤滑層（熱脫脂過程），使其充分暴露，降低接觸電阻；同時，LMMS在特定高溫條件下會發生變形或破裂，通過形變或液態金屬釋放進一步提升AgFK電學連接，實現導電通路高溫自補償，共同增強纖維導電性。

圖4. 高溫下PUAL纖維的動態機電穩定性增強機制

  電子紡織品在應用中不可避免經歷宏觀/微觀尺度變形與各類機械刺激，易產生局部拉伸應變并影響ECF性能，因此需確保ECF在循環拉伸時保持良好機/電穩定性，以克服相應挑戰。本文PUAL纖維在受熱拉伸下可勻化AgFKs和LMMSs并提升其取向連接；同時，循環拉伸中LMMSs受力破裂，釋放液態金屬，可動態補償拉伸形變下AgFK的電學連接，提升纖維在循環拉伸激活或高溫拉伸激活下的電學穩定性（圖4）。研究證明，PUAL纖維經80 °C熱處理30 min后仍可保持良好機械性能（拉伸強度為8.2 MPa，斷裂應變為450%），經高溫下1000次循環拉伸后（80°C、60%應變），其電阻變化率僅為270%，展示出良好的高溫-拉伸適應性和電學穩定性。

圖5. 低溫下PUAL纖維的靜態/動態電學性能增強

  低溫和低溫-拉伸下PUAL纖維同樣表現出自主增強的導電性及導電穩定性。低溫下，TPU基體發生可逆收縮，誘導導電填料緊密排列以增強纖維的導電性；低溫-拉伸則進一步誘導LMMS變形或破裂，提供額外電學補償以增強纖維電學穩定性（圖5）。纖維經-20 °C處理30 min后，仍保持~8 MPa拉伸強度和400%斷裂應變，且在100%應變下拉伸100個循環后保持良好電學性能。基于良好的低溫機電穩定性，PUAL纖維可編織到日用棉織物中作為電加熱器，即便在低溫下（-30°C至-10 °C）也能實現低電壓加熱，為極端條件下穿戴式熱管理提供了可能。

圖6. ECF的可編織性和醫療、極端環境可穿戴應用

  PUAL纖維可自體編織成2D和3D結構、也可集成至大面積彈性織物中，形成各類復雜、可靠的圖案化電極；代替商用凝膠電極，該纖維能實現高精度連續心電監測，且顯示良好的耐洗性，經1500分鐘機洗后仍保持穩定電導率（~1070 S cm^?1）。利用該纖維作為通訊線圈開發的近場通信手套，可在寒冷或高溫環境下正常操控門禁。而利用PUAL纖維的熱響應導電性變化，用其縫制的手套可通過非接觸方式識別冷/熱物體；此外，將PUAL纖維定制化集成到消防服上，可實現無線高溫預警與同步運動監測，展現了其在智能防護裝備領域的應用潛力。

  綜上，本研究通過濕紡誘導剪切流開發了一類溫度/形變自適應電學增強型ECF。典型地，TPU基體提供高彈性并包覆保護導電填料，取向排列的AgFKs主導形成了可靠導電路徑，LMMS作為軟填料提升了AgFK間電學連接。纖維在-30 °C至180 °C溫度范圍內表現出自主增強的導電性和電學穩定性，其中，加熱可促進AgFK脫脂暴露，而冷凍使TPU基體收縮，均可有效促進導電填料排列和連接。此外，纖維在常溫及冷/熱環境下經機械拉伸激活可進一步釋放液態金屬，提升纖維的電學穩定性。這種普適性組分動態協同作用的機械-熱學-電學耦合機制實現了具有溫度適應性、環境耐久性（紫外/濕度/機洗）、機電穩定性和規模化生產潛力的ECF，經縫合或編織可開發成各種電子紡織品。文章全面展示了其在日常穿戴、生物醫用電極、溫度指示器、溫度自適應電加熱器、近場通訊和智能服裝中的應用潛力，為高性能導電纖維開發和發展提供了新思路。

  文章信息：Y Zhang, Z Ming, Z Zhou, X Wei, J Huang, Y Zhang, W Li, L Zhu, S Wang, M Wu, Z Lu, X Zhou,J Xiong*, A temperature-adaptive component-dynamic-coordinated strategy for high-performance elastic conductive fibers, Nature Communications, 2025, 16, 6785.

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-62140-y

  課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/xiong_jiaqing