隨著柔性電子技術的發展，微電子設備逐漸擺脫傳統概念上冰冷、剛性，沉重的印象，以可穿戴、超柔性、可集成等新的面貌走入我們的日常生活。其中可拉伸可穿戴的電子器件，包括各種導體和傳感器，因其具有重量輕、靈活性高、易於集成到功能設備或紡織品上等特點，在智能電子、人機交互、軟體機器人等領域開闢了廣闊的應用前景。然而通過賦予傳統的剛性導體或半導體材料以可變形的微觀結構製備的柔性器件，因其有限的形變能力的限制，難以滿足柔性高拉伸性能的要求。而通過使用軟導電材料如離子水凝膠或將導電離子液體、液態金屬封裝到彈性聚合物中製備的彈性電子材料，由於穩定性易受化學和環境的影響，限制了它們的持久應用。如何改善導電材料自身的脆性弱點，設計在承受大應變後仍能保持優異的力電性能的器件，成為了柔性電子發展過程中亟待解決的問題。
近日，北京航空航天大學趙勇教授、王女副教授和中國科學院力學研究所蘇業旺研究員合作，通過設計具有多尺度螺旋結構的導電材料（碳納米管CNTs）/聚合物（聚氨酯PU）複合材料，構築了超彈、大應變可回覆且穩定性好的一維螺旋纖維(ACS Nano2020, 14, 3442)。該研究從理論和實驗上證實了微/納米多尺度結構耦合作用對材料力學性能的增強效應。由於其具有的超可拉伸性能，製備成本低，普適性強，可編織等優點，可應用於柔性機器人、大應變傳感器件及智能可穿戴織物等領域。北航化學學院博士研究生高遠為該論文第一作者，浙江理工大學材料與紡織學院青年教師郭鳳雲為共同第一作者，北工大建築與土木工程學院曹鵬教師在理論計算方面給予了大力支持。
圖1. 多尺度纏繞互鎖結構的碳納米管（CNTs）/聚氨酯（PU）螺旋纖維
如圖1所示，作者製備了纏繞互鎖結構的CNTs/PU螺旋纖維。在取向的PU納米纖維基底上均勻噴塗CNTs分散液，通過加捻至過捻狀態，得到了具有多尺度螺旋結構的CNTs/PU纖維。CNTs在加捻過程中緊密包覆於纖維內部，形成三明治結構的CNTs/PU複合結構，極大提升了材料的結構穩定性。
圖2. 材料在三種不同結構下的力學性能
該工作對不同纖維形態下（有序纖維膜、一級捻纖維束、螺旋狀纖維）的力學性能進行了表徵及有限元模擬。拉伸狀態下纖維膜的拉伸頸縮現象，纖維束的拉伸變細和螺旋纖維的解螺旋形態直接決定了它們的拉伸應變性能。多尺度螺旋纖維相比於其他形貌的纖維具有強度和應變的雙重優勢。塗覆的CNTs提升了材料的力學強度，且在多級結構的協同作用下，螺旋纖維可拉伸至自身17倍。
圖3. CNTs/PU螺旋纖維在500%拉伸、180o彎曲及720o扭轉的形變下保持優異的力電穩定性及高度可回覆性能。基於上述螺旋結構的超彈性能及其表面纏繞互鎖的CNTs導電網絡，螺旋纖維在承受不同程度的形變時，能保持優異的力電一體性。在500%拉伸，180o彎曲及720o扭轉的形變-回覆循環測試中，螺旋纖維的結構與電學性能在形變釋放後都展現出高度的可回覆性能。優異的力電性能使得CNTs/PU螺旋纖維可作為大應變下保持高度穩定性的導線使用。在PU彈性螺旋基底的主導作用下，應變釋放後，表面CNTs導電網絡產生的裂紋可重新搭接形成新的導電網絡，因此即便對螺旋纖維施加900%的大應變, 其仍能回覆到拉伸前原有的螺旋結構。
圖4. CNTs/PU螺旋纖維作為人體運動監測傳感器
由於CNTs/PU螺旋擁有優異的電阻拉伸-回覆性能及對應變的高靈敏度，在調節螺旋纖維內CNTs含量後，可將其作為傳感器覆於皮膚表面可以用於對人體的運動進行監測。此外通過將不同的電紡基底材料與客體導電材料複合，可普適性製備各種各樣的一維螺旋纖維，這為新一代柔性可穿戴電子的構築提供了新的思路。
參考文獻
Gao Y, Guo F, Cao P, et al. Winding-Locked Carbon Nanotubes/Polymer Nanofibers Helical Yarn for Ultra-Stretchable Conductor and Strain Sensor. ACS Nano 2020, 14, 3442.
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b09533
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