中国科大龚兴龙教授课题组《Small》：具有高度耐拉伸导电稳定和变形无关线性温度响应的螺旋芳纶复合纤维

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随着制造业的智能化发展，可拉伸电子器件凭借其变形不敏感导电特性在传输电极、穿戴式传感、人机交互等领域有着越来越广泛的应用。可拉伸构型是实现器件稳定导电的关键之处，然而近年来研制一些可拉伸构型仍然无法保证电子设备在大应变（200%以上）时的电稳定性。此外，对于长期的疲劳循环测试（1万次以上）以及极端破坏情况，这些设备的电性能往往会永久衰退。因此，如何设计大应变不敏感、结构稳定的可拉伸电子器件依旧面临着巨大挑战。

图1. 螺旋导电纤维的制备、变形无关电稳定性和温度感知性能

在自然界中，一些植物，如黄瓜和丝瓜，会从茎或叶中生长出卷须状细丝螺旋，以攀岩支架吸收阳光。即使在极端的暴风雨天气中，这些卷须也能为植物提供高度稳定的弹性支撑。受启发于此，中国科学技术大学龚兴龙团队设计了一种超可拉伸的卷须状螺旋导电纤维（图1），这种螺旋纤维由芳纶聚合物水凝胶丝线通过加捻和缠绕制得，在浸渍银纳米线后获得高导电性。与以往报道的Kirigami或屈曲结构不同，这种卷须状螺旋构型可以将外部拉伸行为转化为柔和的螺旋丝展开，从而实现超高的伸长率（958%）。得益于这种稳定的卷须状结构，螺旋纤维在达到500%应变时，电阻仅变化了2%。此外，在受到落锤的高速冲击，90天的空气暴露，以及15万次的弯曲循环时，其电阻仍然只在10%以内波动。更有趣的是，螺旋导电纤维由于热膨胀效应能够感知零下20 ℃到100 ℃的温度变化，其灵敏度具有高度的线性特征（R² = 0.9998），得益于卷须状结构的变形不敏感特性，该温度传感性能即使在500%拉伸状态时也未发生衰退，从而实现了灵活可靠的温度监测和热散失分析。该工作近日发表于《Small》期刊，题为“Ultra-stretchable spiral hybrid conductive fiber with 500%-strain electric stability and deformation-independent linear temperature response。”

图2. 芳纶纳米纤维/聚乙烯醇水凝胶丝线的制备和力学性能

螺旋导电纤维的基体由芳纶纳米纤维和聚乙烯醇交联而成，通过温控湿法纺丝形成水凝胶丝线，随后进行抽拉和凝胶化处理以提高丝线的拉伸强度和韧性。SEM和共聚焦显微观察表明，抽拉后的丝线具有较高的微纤维取向（图2d和i）。其拉伸强度和韧性相较于未抽拉的样品分别提高了15和111倍。这有助于后续的丝线加捻和缠绕处理。

图3. 螺旋纤维的制备和力学性能

随后将纺出的丝线进行加捻和缠绕处理以形成卷须状螺旋纤维（图3a-c）。通过拉伸测试证明了该卷须状螺旋结构具有高度的可拉伸能力，最大应变达到800%（图3h），同时表现出高度的回弹性，即使在100%应变拉伸500次后，最大应力仍然保留了86%（图3j）。

图4. 螺旋导电纤维的制备和应变不敏感电稳定性

通过浸渍银纳米线和退火处理，螺旋导电纤维具有优异的导电性和可拉伸性，最大应变达到958%（图4e）。有限元仿真表明，导电纤维在受到外部拉伸时仅发生螺旋展开，由外部应变所引起的结构应变远小于直线型纤维（图4f）。导电性测试进一步证实了该螺旋纤维电阻具有优异的应变不敏感特性，在500%应变拉伸以及5500次拉伸循环时，电阻变化均不超过10%（图4g-h）。

图5. 电稳定性相关演示

进一步的落锤冲击实验表明（图5a），螺旋导电纤维在受到急剧变化的大应变时，仍然维持稳定的电信号输出，而传统的导电线无法承受剧烈的冲击变形而发生了断裂。此外，高弹性螺旋结构使得导电纤维能够像手指肌腱一样承受数十万次的手指弯曲循环（图5h-i），在长期循环过程中，电阻保持高度的稳定性和微小的衰减。

图6. 螺旋导电纤维的温度传感性能

得益于银纳米线的热致密化效应，螺旋导电纤维还表现出超宽范围（-20到100 ℃）和高分辨率（± 0.2 ℃）的温度传感性能（图6g）。其温度灵敏度具有高度的线性特性（R² = 0.9998，图6h）。此外，卷须状螺旋保证了导电纤维的温度感知能力不受拉伸应变的影响，其灵敏曲线在500%拉伸状态下保持了自然状态时的变化趋势（图6n）。

图7. 螺旋导电纤维监测液体热量散失

优异的温度传感性能使得螺旋导电纤维可用来监测多种液体的热量散失特征，例如通过贴敷于液体杯壁，可快速分析不同液体（水、乙醇、油、蜂蜜等）的峰值温度和热散失速率，由此对液体种类进行准确快速的判别（图7f-i）。即使在200%的拉伸状态时（图7j-k），螺旋导电纤维也能精准地监测热水的峰值温度和散失热量。

综上所述，受启发于植物卷须结构，该工作设计了一种超可拉伸螺旋导电纤维，该导电纤维不仅具有高伸长率和拉伸强度（130 MPa），还表现出独特的变形无关电稳定性和温度感知能力。有望作为可拉伸电极、柔性传感器等设备进行无损功率传输和动态温度监测。

论文第一作者为中科大工程科学学院博士研究生吴建鹏，通讯作者为中科大工程科学学院龚兴龙教授和宣守虎教授。该研究得到了国家自然科学基金、国家航空科学基金、以及中国博士后科学基金的资助和支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/smll.202207454 

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