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  五邑大學(xué)紡織材料與工程學(xué)院巫瑩柱博士課題組和美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院姜漢卿教授課題組合作，共同研發(fā)了一種適用于智能紡織品的高彈性，可水洗，可焊接的高導(dǎo)電纖維。該研究于2020年1月27日以題為“Conductive and Elastic 3D Helical Fibers for Use in Washable and Wearable Electronics”發(fā)表在知名期刊Advanced Materials上(DOI：10.1002/adma.201907495）

  導(dǎo)電材料是構(gòu)成電子智能紡織品的基礎(chǔ)材料，目前已經(jīng)有許多制造智能紡織品導(dǎo)電材料的方法，但是這些方法由于存在以下問題在一定程度上限制了他們的實(shí)際應(yīng)用：

  （1） 柔性和導(dǎo)電性之間的平衡較差，雖然目前彈性導(dǎo)電纖維具有優(yōu)秀的可拉伸性（可以產(chǎn)生超過1000％的應(yīng)變），但隨著導(dǎo)電涂層的脫粘或剝離，纖維的導(dǎo)電性在變形時(shí)會(huì)迅速降低。

  （2） 不可清洗，基于織物尤其是智能服裝上的可穿戴電子設(shè)備需要定期清潔。然而，由于缺乏絕緣層或保護(hù)層，當(dāng)前大多數(shù)的導(dǎo)電纖維不能清洗。例如，纖維上的導(dǎo)電涂層（例如金屬或石墨）在清洗過程中可能會(huì)發(fā)生破裂或被剝離。

  （3） 不具備與其他電子元件進(jìn)行可靠集成的能力。當(dāng)前，導(dǎo)電纖維和功能部件通過粘合劑、碳導(dǎo)電帶、銅帶和銀漿等進(jìn)行連接，這些方法除了可靠性較低外還存在安全隱患。更關(guān)鍵的是，焊接在商業(yè)規(guī)模上占主導(dǎo)地位，并被建議作為一種集成可穿戴電子元件的可行方法，而通過上述方法開發(fā)的纖維難以應(yīng)用于焊接。

  為此，課題組提出了一種新穎且簡(jiǎn)便的方法來開發(fā)一種高導(dǎo)電、可拉伸的3D螺旋纖維材料，該導(dǎo)電纖維由聚氨酯纖維和微米級(jí)的細(xì)銅絲外包氰基丙烯酸酯粘合劑制成（圖1a-c）。有意思的是，通過調(diào)節(jié)聚氨酯纖維的預(yù)應(yīng)變程度可以對(duì)最終形成的3D螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行定制（直徑D和螺旋角α）。課題組使用了COMSOL Multiphysics軟件對(duì)螺旋纖維進(jìn)行的模擬，當(dāng)預(yù)應(yīng)變從100％增加到400％時(shí)，螺旋D的直徑從1.4 mm減小到0.6 mm，得到的理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合（圖1d-f）；此外文章還論述了銅絲的塑性應(yīng)變與螺旋角α的關(guān)系。通過對(duì)3D結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)可以提高該材料與織物的組織結(jié)構(gòu)嵌合效果，使其與布料的拉伸性能相適應(yīng)。

圖1.復(fù)合導(dǎo)電纖維的制備方法與形態(tài)特征。（a）3D螺旋纖維的制造過程。（b-c）400％預(yù)應(yīng)變導(dǎo)電纖維的螺旋形態(tài)和橫截面的SEM圖像。（d）預(yù)應(yīng)變分別為100％，200％，300％和400％的導(dǎo)電纖維的光學(xué)照片與有限元模擬結(jié)果重疊。（e）預(yù)應(yīng)變100％-400％的導(dǎo)電纖維的有限元模擬結(jié)果3D形態(tài)。（f）不同預(yù)應(yīng)變和Cu纖維直徑的有限元模擬得到的螺旋直徑D和螺旋角α，并與D = 30 mm的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

  該方法制備出的螺旋結(jié)構(gòu)賦予了導(dǎo)電纖維優(yōu)異的可拉伸性能，采用的導(dǎo)電組分為銅含量約為95%的直徑約30μm的銅合金絲，這使導(dǎo)電纖維具有了高電導(dǎo)率的優(yōu)點(diǎn)，尤其是在經(jīng)受超過200％-400％的應(yīng)變時(shí)，其電導(dǎo)率比其他報(bào)告的纖維高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)（圖2a-d）；為了驗(yàn)證該導(dǎo)電纖維的耐水洗性能，課題組對(duì)纖維進(jìn)行了超聲水洗測(cè)試（圖2e-g），并證明了該纖維的力學(xué)和電學(xué)性能具有水洗穩(wěn)定性；此外，通過將導(dǎo)電纖維與PCB薄膜電路板進(jìn)行焊接證明的該導(dǎo)電纖維具有可焊接的特性（圖2h）。

圖2.螺旋導(dǎo)電纖維的機(jī)械性能、電學(xué)穩(wěn)定性和焊接性能。（a）16mm長(zhǎng)的螺旋纖維，處于松弛狀態(tài)并被拉伸至65mm。（b）預(yù)應(yīng)變100％-400％的3D螺旋纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（c）預(yù)應(yīng)變100％-400％的3D螺旋纖維隨應(yīng)變的電阻變化曲線。（d）將本3D螺旋纖維在100％應(yīng)變下的電導(dǎo)率和電阻與其他研究進(jìn)行比較。（e）預(yù)應(yīng)變200％的3D螺旋纖維經(jīng)歷0到100分鐘的超聲清洗后的SEM圖像。（f）在不同的超聲清洗時(shí)間下，預(yù)應(yīng)變200％的3D螺旋纖維的強(qiáng)度。（g）在不同的超聲波清洗時(shí)間下，預(yù)應(yīng)變100％-400％的3D螺旋纖維的電阻變化。（h）三根預(yù)應(yīng)變100%的3D螺旋纖維與柔性PCB電路板進(jìn)行焊接。

  為了進(jìn)一步驗(yàn)證該導(dǎo)電纖維在織物上的應(yīng)用效果，課題組結(jié)合傳統(tǒng)紡織技術(shù)織造出引入導(dǎo)電纖維的機(jī)織物（圖3a,b）和針織物（圖3c,d）,測(cè)試了引入導(dǎo)電纖維后對(duì)原布料性能的影響（圖3e,f）并且制作了一款可拉伸水洗的潛水照明護(hù)腕（圖4）。

圖3.引入3D螺旋纖維編織的織物。（a-b）引入3D螺旋纖維編織的機(jī)織物及其SEM圖像。（c-d）引入3D螺旋纖維編織的針織物及其SEM圖像。（e）導(dǎo)電纖維在針織物中的初始狀態(tài)和35％的應(yīng)變拉伸。（f）在有或沒有引入導(dǎo)電纖維的情況下，針織物的力-應(yīng)變曲線。

圖4. 引入3D螺旋纖維編織的LED彈性護(hù)腕性能（a）利用3D螺旋纖維作為導(dǎo)電纖維制造的可拉伸LED腕帶。（b）將腕帶浸入水中。（c）腕帶產(chǎn)生橫向35%應(yīng)變。（d）在腕帶折皺的情況下LED正常發(fā)光。

  該研究利用預(yù)應(yīng)變的彈性組分與導(dǎo)電組分結(jié)合的方法高效制備出了結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)的3D螺旋導(dǎo)電纖維，其中聚氨酯纖維應(yīng)變釋放形成的3D螺旋結(jié)構(gòu)提供了可拉伸性和編織時(shí)與織物結(jié)構(gòu)嵌合的周期特征，而銅絲提供了高導(dǎo)電性和可焊性，外包的丙烯酸酯絕緣保護(hù)層則提供了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐水洗性。

  該研究提供了一種真正適用于智能服裝的導(dǎo)電纖維材料的制備方法，兩個(gè)課題組正在把類似的方法應(yīng)用于螺旋溫控纖維和傳感纖維，這種新型材料將會(huì)使可穿戴電子產(chǎn)品在醫(yī)療、運(yùn)動(dòng)、軍事等領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。

  文章的共同第一作者為楊子航（五邑大學(xué)）和翟子銳（亞利桑那州立大學(xué)），通訊作者是巫瑩柱博士和姜漢卿教授，其他作者包括目前在深圳極展創(chuàng)業(yè)的宋澤銘博士（姜漢卿教授課題組）和巫瑩柱博士課題組的梁家豪、單穎法、鄭金仁及梁海朝。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201907495