清华大学开发一种新型液态金属智能复合纤维实现力学性能温控及液相焊接

由于其低熔点、高导电性的优点,液态金属材料在柔性传感器制备方面具有独特的优势。近年来报道的基于液态金属的纤维状柔性电子器件具有工艺简单、可编织和高拉伸性的优点,表现出巨大的应用潜质,逐渐引起国内外研究者的兴趣。目前,大多数基于液态金属的纤维状柔性电子器件通常是将液态金属灌注在柔性硅胶管道内制作成可拉伸导电纤维。

近日,来自清华大学的刘静教授和张莹莹教授的研究团队联合开发了一种新型液态金属智能复合纤维。不同于传统管道灌注方法制备的液态金属拉伸导电纤维,这种液态金属智能复合纤维将半液态金属材料作为导电涂层,位于智能纤维的最外层。研究人员特意将半液态金属涂层暴露在最外层,目的在于充分利用半液态金属材料具有的低熔点、接触润湿的特点,实现智能纤维在固液转换状态下的力学性能调控,以及多组纤维液相焊接使能的电学性能调控。此外,利用智能纤维的可编织特性,研究人员开发出多种功能的液态金属导电纤维织物,展示出其在可穿戴电子领域的应用前景。

图1具有不同应用特性的半液态金属智能纤维

图1具有不同应用特性的半液态金属智能纤维

在之前该实验室液态金属智能纤维研究基础上,研究人员为解决液态金属镓铟合金流动性强,难以稳定附着在纤维表面的问题,改进了液态金属智能纤维的制备工艺,使用塑形能力较强的半液态金属材料(Cu-Ga-In)作为纤维导电涂层。这种掺杂固体金属颗粒的半液态金属材料不仅可以在一定时间内稳定维持原有的粘附状态,而且保留了液态金属低熔点、接触润湿的特点。在该研究中,研究人员选用多种天然和人造纤维作为智能纤维的内核,如超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE),天然棉纤维、头发以及聚氨酯(PU)弹性纤维等。此外,为进一步提高半液态金属材料在这些纤维表面的粘附性,研究人员将一种对半液态金属材料粘附性极好的PMA涂层附着在内核纤维的表面。

图2半液态金属智能纤维的制备流程及多种纤维内核

图2半液态金属智能纤维的制备流程及多种纤维内核

由于这些纤维自身具有不同的力学特性,因此使用该方法可制造出具有不同力学性能的导电纤维。例如使用高强度UHMWPE纤维制作的导电纤维具有超高的抗拉特性,在吊起重物的同时,能够保持稳定的导电特性。

此外,由于天然棉纤维具有成本低廉,易于编织的特点,研究人员将以天然棉线作为内核的半液态金属智能纤维进行编织,开发出无线充电线圈和可拉伸网状导电织物等大面积的可穿戴柔性电子设备。

不同于将液态金属封装在硅胶管道内的制备策略,将半液态金属暴露在纤维最外层可以实现多根液态金属纤维在低温环境下的自动焊接,并且转化成固态的半液态金属涂层能够为纤维提供力学支撑,并由多根纤维搭建出3D电路。

最后,本研究以PU弹性纤维作为内核制造出可拉伸导电纤维,并能在300%拉伸状态下保持稳定的电学特性,表现出较高的拉伸性和抗疲劳特性。此外,研究发现将两根可拉伸导电纤维并列组合,外层的半液态金属可以自动接触润湿,形成液桥。而且两根纤维之间的缝隙使得半液态金属涂层分布更加均匀,显著提高了可拉伸纤维的导电性能。根据这种现象,研究人员将多组可拉伸纤维首尾连接、并列排布,并且能够在纤维组的拉伸过程中调整纤维间距,使得部分纤维接触形成液桥,造成线路短路,降低纤维组的整体电阻。因此,利用纤维之间形成的液桥可实现拉伸纤维的电阻调控。

该成果发表在国际知名期刊Applied Materials Today,清华大学博士生国瑞王惠民为共同第一作者,通讯作者为清华大学刘静教授张莹莹教授。[来源高分子科学前沿]

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