研究论文介绍

小强强读封面–Advanced Materials特辑(二)

Advanced Materials 封面(二):芯-缩小鞘结构导电纤维,可用作可穿戴超弹性电线、生物传感器、超级电容器和应变传感器

Downsized Sheath–Core Conducting Fibers for Weavable Superelastic Wires, Biosensors, Supercapacitors, and Strain Sensors

Hongyan Wang, Zunfeng Liu, Jianning Ding, Xavier Lepró, Shaoli Fang, Nan Jiang, Ninyi Yuan, Run Wang, Qu Yin,Wei Lv, Zhongsheng Liu, Mei Zhang, Raquel Ovalle-Robles, Kanzan Inoue, Shougen Yin, Ray H. Baughman

First published: DOI: 10.1002/adma.201600405

封2,Wang

【研究背景】

需要小型直径的超弹性导电纤维,对于很多东西都是必需的,比如:电导率与张力无关的电子电线;具有巨大冲程调节范围的敏感张力传感器;人造肌肉;能量存储器;与作用力几乎无关的化学传感纤维等。这些纤维,或单独使用,或插入弹性纤维中,都有潜力用在以上诸多应用领域,可在日常生活中检测健康状况等。

01

尽管之前已经有许多令人激动的研究,提供了可高度拉伸的结构,用来捕获能量、能量存储、传感器和传感响应的外部转运等,这些研究的思路大多是:在弹性结构中嵌入相对刚性的微器件。主要应用领域包括:监测体液的可穿戴设备,改变机械结构的传感系统(人造翅膀、机器人)等。

02

图片引自论文

对于可拉伸电子应用来说、需要高电导率的微米级弹性导电纤维、高度可逆化的弹性应变、高品质因数。目前已知的导电弹性体制备方法有以下三种:

  1. 在橡胶中掺杂纳米粒子
  2. 把层状结构(导电纳米纤维、石墨烯等)粘到橡胶层上。这两种方法制备的导电纤维,可逆拉伸超过7倍,直径分布400~1300μm,当形变大于5倍时,品质因数小于3。
  3. 把液态金属合金灌到中空的橡胶管中,此时,可逆拉伸10倍,品质因数0.14,这说明电阻改变较大。

 

【文章简介】

作者提供了第4种方法,分为两小步:

①用多壁碳纳米管套住拉伸的橡胶纤维。为什么要是“拉伸的”呢?这是为了保证纤维和纳米管方向平行。

②将应变释放,再拉伸,再释放。

这样愉快的“玩耍”之后,即可形成多级带扣的纳米管芯-鞘结构,其能可逆拉伸10倍,电阻约改变5%。其品质因数高达421,比此前报道的超弹性纤维导体高92倍,喜大普奔。某子说的好,“乐极生悲”,果不其然,其总体电导率特别特别特别低!!!这是为什么呢?原来是因为芯:鞘的体积分数太高了,导电的鞘几百纳米后,而芯直径2mm,这是要上天啊。作者这篇文章既然能发AM内封,肯定不能是失败的产品对吧。子曰,病灶找到了,痊愈还会远吗?作者想到了办法,成功缩小了橡胶芯的直径,当然显著增加了纤维的电导率。其在可拉伸电子器件与智能纺织品等领域具有很高实用价值,所以上了AM内封面,那为什么不是封面呢?怕作者骄傲!!!

03

图片引自论文

作者制备了壳鞘结构的超弹性导电纤维,细达40μm,表征其性能发现,它们可用作电容器和传感器。这些器件已实现的性能中,要么敏感度很高;要么非常不敏感,以致作用力可超过300%。即使当其直径比头发丝还细时,这些壳鞘结构(碳纳米管为鞘、橡胶为壳),能可逆拉伸800%,纤维导电率增加72倍,电阻改变低达12%。目前的小型化可以做到,使其截面积减少到400分之一。作者向大家展示了该纤维(Pt掺杂、碳纳米管为鞘、橡胶为壳)可作为葡萄糖的安培生物传感器,对45%的张力不敏感;也可超级电容器的电极,其在拉伸300倍时电容仍无明显变化。多种这样的壳-鞘纤维被纺织成线,以在单项或双向拉伸纺织品中传输电流;并作为基于电容的高敏感度传感器,来测量巨大冲程人造肌肉的收缩。

04

图片引自论文

 

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Tang guoqiang

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