Nature：面向智能数字服装的高韧性纤维电极的米级异质结构打印技术

2025-05-09

著录信息

Lee, GH., Lee, Y., Seo, H. et al. Meter-scale heterostructure printing for high-toughness fiber electrodes in intelligent digital apparel. Nat Commun 16, 4320 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59703-4

摘要

将数字功能融入纺织品已引起广泛关注，特别是随着可穿戴医疗系统、智能交互系统和人机界面的需求不断增长。

实现数字智能纺织品的愿景需要开发具有特定特性的纤维型电极：1）可变形性、2）高韧性、3）稳定的电导率和 4）可扩展性以实现大规模生产。

然而，传统的基于金属线的纤维电极难以与柔韧的人体兼容，并且在长时间使用过程中经常发生疲劳断裂。因此，许多研究工作集中在开发柔软、可拉伸、高韧性的导电纤维上。然而，传统的刚性导电填料基纤维在应变下表现出较高的应变系数，使其不适合用作电极或互连。此外，纤维表面导电填料的涂覆工艺通常仅限于实验室规模生产，限制了其大规模生产的适用性——这是实现智能可穿戴服装的关键方面。

最近，人们对将镓基液态金属 (LM) 集成到可拉伸纤维中的兴趣日益浓厚，因为它们即使在大量变形的情况下也能保持电导率。然而， LM的流体性质导致了不稳定性和泄漏等挑战，凸显了有效封装的必要性。当试图通过剥离外层暴露 LM 进行电连接时会出现挑战，因为这会导致立即泄漏。因此，该技术的实际用途主要限于加热器和摩擦发电机，而不是作为纤维型电极或互连。综上所述，目前尚无纤维电极能够同时满足拉伸性、高韧性、低应变系数、可扩展性等多种大规模生产要求。

在本研究中，我们提出了一种可扩展的异质结构打印方法，用于使用嵌入 LM 粒子 (LMP) 的热塑性聚氨酯 (TPU) 大规模生产坚韧且可拉伸的导电纤维 (TSF)。大规模自支撑 TSF 的制造涉及双相异质结构的开发，该异质结构将无泄漏的导电 LMP 区域与高韧性的 TPU 主链融合。这是通过与桥接 LMP 结合的化学活化 TPU 的原位组装实现的。此外，我们还开发了一种涉及扭曲和烧结多股 TSF 的工艺，以进一步增强韧性并确保稳定的导电性，从而生产出具有高稳健性和保真度的扭曲 TSF（TSF tw）（图 1b和补充图 4）。因此，我们的 TSF tw可以与各种电子元件无缝集成到服装中，从而促进可穿戴医疗保健系统、数字控制单元和交互式显示器的创建（图 1b）。

我们设计的一个关键特点是在使用过程中防止光导体泄漏。如图 1c所示，TSF 的两侧都包裹着 TPU，有效防止了光纤在受到应变时从上下表面发生光导体泄漏。导电区域的表面受到 TPU 层的保护，这在 SEM 图像中很明显，进一步增强了 TSF 的机械稳定性，同时保持了高导电性。此外，我们使用卷绕机扭绞多股 TSF 制成了大规模 TSF tw ，而这种相当大的长度显著提高了它在人体尺寸数码服装中的适用性。大规模 TSF tw还表现出显著的电导率，即使在拉伸时也能保持稳定的电导率。图 1f提供了一个比较分析，突出了我们的 TSF 在电导率、低规格因子和出色的可扩展性方面相对于其他纤维型电极的优势，这些电极的特性是推进数字服装的基础。