由于其低熔點(diǎn)、高導(dǎo)電性的優(yōu)點(diǎn)，液態(tài)金屬材料在柔性傳感器制備方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)報(bào)道的基于液態(tài)金屬的纖維狀柔性電子器件具有工藝簡(jiǎn)單、可編織和高拉伸性的優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛質(zhì)，逐漸引起國(guó)內(nèi)外研究者的興趣。目前，大多數(shù)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(nèi)制作成可拉伸導(dǎo)電纖維。

近日，來(lái)自清華大學(xué)的劉靜教授和張瑩瑩教授的研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種新型液態(tài)金屬智能復(fù)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(dǎo)電纖維，這種液態(tài)金屬智能復(fù)合纖維將半液態(tài)金屬材料作為導(dǎo)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(diǎn)、接觸潤(rùn)濕的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)智能纖維在固液轉(zhuǎn)換狀態(tài)下的力學(xué)性能調(diào)控，以及多組纖維液相焊接使能的電學(xué)性能調(diào)控。此外，利用智能纖維的可編織特性，研究人員開(kāi)發(fā)出多種功能的液態(tài)金屬導(dǎo)電纖維織物，展示出其在可穿戴電子領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

圖1具有不同應(yīng)用特性的半液態(tài)金屬智能纖維

在之前該實(shí)驗(yàn)室液態(tài)金屬智能纖維研究基礎(chǔ)上，研究人員為解決液態(tài)金屬鎵銦合金流動(dòng)性強(qiáng)，難以穩(wěn)定附著在纖維表面的問(wèn)題，改進(jìn)了液態(tài)金屬智能纖維的制備工藝，使用塑形能力較強(qiáng)的半液態(tài)金屬材料（Cu-Ga-In）作為纖維導(dǎo)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(shí)間內(nèi)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(diǎn)、接觸潤(rùn)濕的特點(diǎn)。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(nèi)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(jìn)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(duì)半液態(tài)金屬材料粘附性極好的PMA涂層附著在內(nèi)核纖維的表面。

圖2半液態(tài)金屬智能纖維的制備流程及多種纖維內(nèi)核

由于這些纖維自身具有不同的力學(xué)特性，因此使用該方法可制造出具有不同力學(xué)性能的導(dǎo)電纖維。例如使用高強(qiáng)度UHMWPE纖維制作的導(dǎo)電纖維具有超高的抗拉特性，在吊起重物的同時(shí)，能夠保持穩(wěn)定的導(dǎo)電特性。

圖3 以高強(qiáng)度UHMWPE纖維為內(nèi)核的導(dǎo)電纖維可提起重物

此外，由于天然棉纖維具有成本低廉，易于編織的特點(diǎn)，研究人員將以天然棉線(xiàn)作為內(nèi)核的半液態(tài)金屬智能纖維進(jìn)行編織，開(kāi)發(fā)出無(wú)線(xiàn)充電線(xiàn)圈和可拉伸網(wǎng)狀導(dǎo)電織物等大面積的可穿戴柔性電子設(shè)備。

圖4 以天然棉線(xiàn)作為內(nèi)核的半液態(tài)金屬智能纖維用于可編織電路以及低溫焊接的3D電路

視頻一：半液態(tài)金屬智能纖維用于可編織電路：

不同于將液態(tài)金屬封裝在硅膠管道內(nèi)的制備策略，將半液態(tài)金屬暴露在纖維最外層可以實(shí)現(xiàn)多根液態(tài)金屬纖維在低溫環(huán)境下的自動(dòng)焊接，并且轉(zhuǎn)化成固態(tài)的半液態(tài)金屬涂層能夠?yàn)槔w維提供力學(xué)支撐，并由多根纖維搭建出3D電路。

視頻二：半液態(tài)金屬涂層低溫下的焊接效果

最后，本研究以PU彈性纖維作為內(nèi)核制造出可拉伸導(dǎo)電纖維，并能在300%拉伸狀態(tài)下保持穩(wěn)定的電學(xué)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(dǎo)電纖維并列組合，外層的半液態(tài)金屬可以自動(dòng)接觸潤(rùn)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(dǎo)電性能。根據(jù)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(guò)程中調(diào)整纖維間距，使得部分纖維接觸形成液橋，造成線(xiàn)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(shí)現(xiàn)拉伸纖維的電阻調(diào)控。

圖5 以PU彈性纖維為內(nèi)核的可拉伸導(dǎo)電纖維組的可調(diào)控電阻特性

視頻三、以PU彈性纖維為內(nèi)核的可拉伸導(dǎo)電纖維

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(guó)際知名期刊Applied Materials Today，清華大學(xué)博士生國(guó)瑞和王惠民為共同第一作者，通訊作者為清華大學(xué)劉靜教授和張瑩瑩教授。