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  人類從未停止對海洋的探索。目前，科研、軍事和娛樂等多種領(lǐng)域?qū)λ禄顒友b備具有廣泛需求。隨著防水型電子器件的快速發(fā)展，用于個人身體監(jiān)測及防護(hù)的水下穿戴系統(tǒng)引起了研究者的廣泛興趣。對個人而言，水下作業(yè)通常伴隨著大幅度肢體運(yùn)動，且長時間暴露于水下低溫環(huán)境可能誘發(fā)的失溫癥狀時刻威脅生命安全。因此，亟需開發(fā)用于水下的、適應(yīng)大形變監(jiān)測的集成式多功能人體防護(hù)可穿戴設(shè)備。

  基于可拉伸基底的柔性電子器件適用于形變范圍較大的智能可穿戴設(shè)備。這些柔性電子器件往往通過高模量的導(dǎo)電功能組分（金屬基納米粒子，碳基超材料，導(dǎo)電聚合物等）與低模量的基體（聚氨酯、硅橡膠、水凝膠）組裝得到，這種模量差異會導(dǎo)致電子器件在大形變下會產(chǎn)生不可逆裂隙，從而限制傳感性能，同時也會造成接觸電阻和電路永久性失效。鎵基液態(tài)金屬是一種在柔性電子領(lǐng)域逐漸興起的導(dǎo)電材料，可在保持金屬級電導(dǎo)率的同時保持流動性。這種獨(dú)特的低模量流體特性可以很好地協(xié)同彈性材料的同步變形，使其成為可用于大形變?nèi)嵝噪娮悠骷睦硐氩牧�。相比平面狀液態(tài)金屬基柔性電子器件，線型的中空纖維液態(tài)金屬器件更適用于監(jiān)測軸向拉伸和徑向擠壓行為，其在受力變形和回復(fù)過程中的可逆行為對可調(diào)諧傳感性能來說至關(guān)重要，目前卻少有提及，特別是其內(nèi)部構(gòu)效關(guān)系的研究仍是一片空白。

  鑒于此，青島大學(xué)曲麗君、田明偉教授團(tuán)隊與深圳大學(xué)張學(xué)記教授團(tuán)隊合作，采用液態(tài)金屬和聚氨酯這種“雙低�！苯M合體系制備了一種可逆超拉伸導(dǎo)電纖維（LM@PHF），這種纖維具有典型的芯—鞘結(jié)構(gòu)，得益于聚氨酯的本征拒水性，內(nèi)部液態(tài)金屬芯層被很好的封裝，可避免水下使用造成的短路現(xiàn)象。利用同軸濕法紡絲工藝?yán)碚擉w系對芯—鞘流道的紡絲參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能、電學(xué)性能、熱學(xué)性能的構(gòu)效關(guān)系被進(jìn)一步研究。對照條件下，內(nèi)徑越大的纖維斷裂伸長越大，軸向傳感靈敏度越低，電熱性能越好；極限形變下，徑向形變較軸向形變更易用于傳感監(jiān)測，且導(dǎo)電通路在斷路后因液態(tài)金屬重新團(tuán)聚具有良好的可逆性，這為纖維性能精準(zhǔn)調(diào)控提供了實驗基礎(chǔ)。纖維通過調(diào)控可分別實現(xiàn)導(dǎo)電（~0.05 Ω·cm^-1）、拉伸傳感（~600%、30 ms）、壓力傳感（~30 MPa、30 ms）和電熱（1.5 W, ~50 °C）等功能。

  為展現(xiàn)該纖維的構(gòu)型靈活性及適應(yīng)性，該工作分別利用機(jī)織、針織、編織等常規(guī)紡織工藝，根據(jù)功能需求制備了不同結(jié)構(gòu)的電子織物，最終組裝成一套水下智能手套系統(tǒng)，利用該纖維的防水性、大形變下的傳感性、獨(dú)特的可恢復(fù)性及低功耗電熱性能集成了運(yùn)動感知、危險預(yù)警和熱學(xué)防護(hù)的等多種功能，充分展示了其在水下場景的潛力。這一研究成果已經(jīng)在國際知名期刊Chemical Engineering Journal（影響因子IF 13）以“Underwater Sensing and Warming E-textiles with Reversible Liquid Metal Electronics”為題公開發(fā)表 （DOI: 10.1016/j.cej.2022.135382），博士研究生齊祥君、趙洪濤為第一作者，張學(xué)記教授、田明偉教授、曲麗君教授為通訊作者。

圖1 可逆性液態(tài)金屬電子織物的制備及應(yīng)用。

【本文要點(diǎn)】

  要點(diǎn)一：制備了結(jié)構(gòu)可控的LM@PHF芯—鞘型纖維

圖2 纖維成型機(jī)理及基本性能表征。

  要點(diǎn)二：研究LM@PHF纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能間構(gòu)效關(guān)系

圖3 不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)下LM@PHF纖維軸向拉伸和徑向擠壓下的傳感性能對比。

  要點(diǎn)三：研究極限形變下LM@PHF的導(dǎo)電通路可逆性

圖4 極限形變下的可逆導(dǎo)電及柔性開關(guān)應(yīng)用。

  要點(diǎn)四：研究不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)對電熱性能的影響

  內(nèi)徑越大，纖維導(dǎo)電性能越好，相應(yīng)地電熱性能越好，可實現(xiàn)低功率水下電加熱。

圖5 不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)下LM@PHF纖維電熱性能及柔性電加熱器應(yīng)用。

  要點(diǎn)五：通過多種紡織工藝展現(xiàn)構(gòu)型靈活性及適應(yīng)性，用于水下應(yīng)用

圖6 集成式手套系統(tǒng)構(gòu)筑以及水下應(yīng)用。

  【文章鏈接】

  Underwater Sensing and Warming E-textiles with Reversible Liquid Metal Electronics

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135382

【通訊作者簡介】

  曲麗君 教授

  博士生導(dǎo)師，山東省有突出貢獻(xiàn)的中青年專家，青島市拔尖人才。現(xiàn)任青島大學(xué)智能可穿戴技術(shù)研究中心執(zhí)行主任，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟、中國石墨烯改性纖維及應(yīng)用開發(fā)產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟理事，多項SCI期刊審稿人。主持國家973計劃前期研究專項1項、國家自然科學(xué)基金面上項目2項、山東省重點(diǎn)研發(fā)計劃重大科技創(chuàng)新工程項目1項、山東省重點(diǎn)研發(fā)項目（公益類）1項等課題20余項。在ASC Nano、Nano Letters、Nano Energy等期刊發(fā)表論文100余篇，申報國家發(fā)明專利40余項，其中已授權(quán)25項。曾獲山東省科技進(jìn)步二等獎2項、三等獎2項，香港桑麻基金紡織科技二等獎1項，青島市科技進(jìn)步一等獎1項、技術(shù)發(fā)明一等獎1項等10余項獎項。研究方向：新型天然植物纖維制取與應(yīng)用研究；石墨烯改性纖維與功能紡織品研究；智能可穿戴技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)

  田明偉 教授

  博士生導(dǎo)師，現(xiàn)為青島大學(xué)紡織服裝學(xué)院副院長、山東省高等學(xué)�！扒鄤�(chuàng)科技計劃”創(chuàng)新團(tuán)隊帶頭人，獲中國紡織工業(yè)聯(lián)合會教師獎、青島市青年科技獎、山東省紡織服裝行業(yè)杰出貢獻(xiàn)人物。兼任教育部紡織教指委纖維材料分委員會委員兼副秘書長、中國紡織機(jī)械協(xié)會理事、山東省紡織工程學(xué)會理事、《紡織高�；A(chǔ)科學(xué)學(xué)報》青年編委、Advanced Fiber Materials青年編委、中國紡織工程學(xué)會高級會員、國家自然科學(xué)基金函評專家、16個SCI期刊特約審稿人。以第一作者/通訊作者在ACS Nano、Nano Letters、Nano Energy、Carbon等雜志發(fā)表高水平論文63篇，中科院大類一區(qū)14篇，相關(guān)成果引用次數(shù)1223次，單篇論文最高被引167次，H指數(shù)19，其中入選ESI高被引論文2篇。申請國家發(fā)明專利20項，已授權(quán)11項。受邀在中國紡織學(xué)術(shù)年會、第91屆世界紡織大會等會議匯報21次。獲山東省科技進(jìn)步二等獎、中國紡織工業(yè)聯(lián)合會科技進(jìn)步二等獎、中國紡織工業(yè)聯(lián)合會教學(xué)成果三等獎、青島市技術(shù)發(fā)明三等獎，指導(dǎo)山東省優(yōu)秀碩士研究生論文1篇。研究方向：功能纖維及智能電子紡織品；智能可穿戴技術(shù)與智能紡織品；纖維及其集合體成形新技術(shù)與新理論。

  張學(xué)記 教授

  博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任深圳大學(xué)黨委常委，副校長，北京科技大學(xué)學(xué)術(shù)委員會副主任，北京精準(zhǔn)醫(yī)療與健康研究院執(zhí)行院長，中國生物檢測監(jiān)測產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟理事長、美國醫(yī)學(xué)與生物工程院院士，英國皇家化學(xué)學(xué)會會士，俄羅斯工程院外籍院士、國家特聘教授、中組部評審巡察小組組長。近年來，主持或參與美國NIH、NSF、NASA、國防部、北約、能源部和歐洲宇航局、國家重大、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家重大儀器研發(fā)專項以及中國自然科學(xué)基金等研究課題多項。已在國際一流刊物Chemical Reviews、JACS、Advanced Materials、ACS Nano、Chem. Sci、Anal. Chem等發(fā)表論文400余篇，引用12000多次，專利80項。在Elsevier、Springer、科學(xué)出版社出版中英文專著7部。已有30余項技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在全球100多個國家得到廣泛應(yīng)用。多次擔(dān)任國際學(xué)術(shù)會議學(xué)術(shù)委員會委員、大會主席、分會主席，在國際學(xué)術(shù)會議作大會報告或?qū)ｎ}學(xué)術(shù)報告100多次。2012年經(jīng)中央提名(全國2名)，2015年當(dāng)選科學(xué)中國人年度人物當(dāng)選中共十八大黨代表，2016年獲中國杰出工程師獎，2017年獲首屆全國創(chuàng)新爭先獎，獲首都勞動獎?wù)隆⒈本﹥?yōu)秀共產(chǎn)黨員，2018年獲國家教育部自然科學(xué)獎。

【課題組介紹】

  青島大學(xué)智能可穿戴技術(shù)研究中心自2018年成立至今，在智能紡織品與可穿戴技術(shù)領(lǐng)域開展系統(tǒng)研究，取得了一系列顯著成果，在Science、Advanced Materials、Nano Energy、Nano Letters、ACS Nano、Chemical Engineering Journal等國際知名期刊發(fā)表論文60余篇。