一款原材料:透氣性超越尼龍布,高性能可拉伸液態(tài)金屬導(dǎo)體
發(fā)布時間:2023-11-21 14:14:37 點擊數(shù):0
一款原材料:透氣性超越尼龍布,高性能可拉伸液態(tài)金屬導(dǎo)體 :
近日,香港理工大學(xué)鄭子劍課題組報道了一種可拉伸導(dǎo)體——“液態(tài)金屬纖維氈”(liquid-metal fibre mat,LMFM),該導(dǎo)體通過將液態(tài)金屬簡單涂覆或印刷到靜電紡彈性纖維氈上而制成。懸掛在彈性纖維之間的液態(tài)金屬會自組織成橫向網(wǎng)狀和垂直彎曲的結(jié)構(gòu),同時提供高滲透性,可拉伸性,電導(dǎo)率和電穩(wěn)定性。此外,液態(tài)金屬纖維氈具有良好的生物相容性,對超過1800%應(yīng)變的全向拉伸具有很好的適應(yīng)性。
液態(tài)金屬纖維氈的制備主要有三個步驟:(1)超彈性纖維氈(poly(styrene-block-butadiene-block-styrene),SBS)的靜電紡絲;(2)在可拉伸氈上涂覆液態(tài)金屬EGaIn;(3)通過預(yù)拉伸激活滲透性。剛涂覆液態(tài)金屬EGaIn的彈性纖維氈SBS表現(xiàn)出類似金屬的光澤,幾乎不具有滲透性,將基底拉伸至1800%應(yīng)變,反復(fù)循環(huán)12次后,基底顏色變暗,EGaIn轉(zhuǎn)變?yōu)閼覓煸赟BS微纖維之間的網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu),EGaIn-SBS的透氣性超過了商業(yè)化的尼龍布和醫(yī)用貼片,初始電導(dǎo)率約10000 S m-1, 即使處于1800%的拉伸應(yīng)變下,電阻變化也僅為4.1%。
EGaIn-SBS的超高拉伸性和電穩(wěn)定性主要歸因于液態(tài)金屬,形成了橫向網(wǎng)狀和褶皺結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是在預(yù)拉伸活化步驟中自形成的。在拉伸過程中,初始的EGaIn膜破裂成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),在新的表面重新形成了新的氧化層。由于氧化層比液態(tài)金屬要硬得多,因此當(dāng)襯底緩慢恢復(fù)到0%應(yīng)變時,較硬的上層氧化物層和較軟的下層襯底之間的機械競爭導(dǎo)致了EGaIn彎曲起皺。在12個預(yù)拉伸循環(huán)后,每個循環(huán)中的電阻和Q值(品質(zhì)因數(shù),材料應(yīng)變與材料阻值變化的比)的變化都達(dá)到了穩(wěn)定階段,表明起皺的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)已達(dá)到可逆狀態(tài)。
得益于這種網(wǎng)狀和褶皺結(jié)構(gòu),EGaIn-SBS表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。在拉伸至1000%和1800%的100個循環(huán)之后,EGaIn-SBS的電阻分別僅增加了18%和36%。當(dāng)拉伸應(yīng)變限制為100%時,EGaIn-SBS可以承受超過25000次循環(huán),而電阻變化不到30%,完全可以勝任各種可穿戴應(yīng)用的耐久性要求(人體運動引起的應(yīng)變通常小于55%)。
EGaIn-SBS的增材制造原理和自適應(yīng)超彈性為通過印刷制造可拉伸電子產(chǎn)品提供了極好的平臺?;谠摴に嚨腖ED陣列能夠承受500%的應(yīng)變和720°的扭曲,并能夠在水下工作。即使對其進(jìn)行120分鐘的清洗,也不會影響LED陣列的性能。通過重復(fù)的靜電紡絲和印刷工藝,還可以制造垂直堆疊的多層電路,提供具有出色的佩戴舒適性和多功能性的新型的整體可拉伸電子產(chǎn)品。作者制備了三層印刷電路的可拉伸電子氈,分別用作生理信號傳感(頂層)、汗液傳感(中間層)和加熱(底層),實現(xiàn)了對人體生理狀態(tài)和電熱療法的多通道監(jiān)測。包括拉伸、壓縮狀態(tài)下對生理信號的監(jiān)測,汗液中溶質(zhì)濃度的監(jiān)測以及表面溫度的調(diào)節(jié)等(30-90℃)。
近日,香港理工大學(xué)鄭子劍課題組報道了一種可拉伸導(dǎo)體——“液態(tài)金屬纖維氈”(liquid-metal fibre mat,LMFM),該導(dǎo)體通過將液態(tài)金屬簡單涂覆或印刷到靜電紡彈性纖維氈上而制成。懸掛在彈性纖維之間的液態(tài)金屬會自組織成橫向網(wǎng)狀和垂直彎曲的結(jié)構(gòu),同時提供高滲透性,可拉伸性,電導(dǎo)率和電穩(wěn)定性。此外,液態(tài)金屬纖維氈具有良好的生物相容性,對超過1800%應(yīng)變的全向拉伸具有很好的適應(yīng)性。
液態(tài)金屬纖維氈的制備主要有三個步驟:(1)超彈性纖維氈(poly(styrene-block-butadiene-block-styrene),SBS)的靜電紡絲;(2)在可拉伸氈上涂覆液態(tài)金屬EGaIn;(3)通過預(yù)拉伸激活滲透性。剛涂覆液態(tài)金屬EGaIn的彈性纖維氈SBS表現(xiàn)出類似金屬的光澤,幾乎不具有滲透性,將基底拉伸至1800%應(yīng)變,反復(fù)循環(huán)12次后,基底顏色變暗,EGaIn轉(zhuǎn)變?yōu)閼覓煸赟BS微纖維之間的網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu),EGaIn-SBS的透氣性超過了商業(yè)化的尼龍布和醫(yī)用貼片,初始電導(dǎo)率約10000 S m-1, 即使處于1800%的拉伸應(yīng)變下,電阻變化也僅為4.1%。
EGaIn-SBS的超高拉伸性和電穩(wěn)定性主要歸因于液態(tài)金屬,形成了橫向網(wǎng)狀和褶皺結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是在預(yù)拉伸活化步驟中自形成的。在拉伸過程中,初始的EGaIn膜破裂成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),在新的表面重新形成了新的氧化層。由于氧化層比液態(tài)金屬要硬得多,因此當(dāng)襯底緩慢恢復(fù)到0%應(yīng)變時,較硬的上層氧化物層和較軟的下層襯底之間的機械競爭導(dǎo)致了EGaIn彎曲起皺。在12個預(yù)拉伸循環(huán)后,每個循環(huán)中的電阻和Q值(品質(zhì)因數(shù),材料應(yīng)變與材料阻值變化的比)的變化都達(dá)到了穩(wěn)定階段,表明起皺的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)已達(dá)到可逆狀態(tài)。
液態(tài)金屬纖維氈的超彈性機理
【機械、電氣性能優(yōu)異】得益于這種網(wǎng)狀和褶皺結(jié)構(gòu),EGaIn-SBS表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。在拉伸至1000%和1800%的100個循環(huán)之后,EGaIn-SBS的電阻分別僅增加了18%和36%。當(dāng)拉伸應(yīng)變限制為100%時,EGaIn-SBS可以承受超過25000次循環(huán),而電阻變化不到30%,完全可以勝任各種可穿戴應(yīng)用的耐久性要求(人體運動引起的應(yīng)變通常小于55%)。
穩(wěn)定且自適應(yīng)的液態(tài)金屬纖維氈
進(jìn)一步的,作者使用L-929細(xì)胞作為模型細(xì)胞,探究了EGaIn-SBS的生物相容性。定量分析顯示,測試組的細(xì)胞活力在24小時之后仍保持在95%左右,沒有明顯證據(jù)表明EGaIn-具有毒性。在兔子和人類皮膚上的進(jìn)一步測試表明,EGaIn-SBS的透氣性良好,即使佩戴一周也不會對皮膚造成任何負(fù)面影響(紅腫等)。 液態(tài)金屬纖維氈的生物相容性
【多功能可拉伸電子】EGaIn-SBS的增材制造原理和自適應(yīng)超彈性為通過印刷制造可拉伸電子產(chǎn)品提供了極好的平臺?;谠摴に嚨腖ED陣列能夠承受500%的應(yīng)變和720°的扭曲,并能夠在水下工作。即使對其進(jìn)行120分鐘的清洗,也不會影響LED陣列的性能。通過重復(fù)的靜電紡絲和印刷工藝,還可以制造垂直堆疊的多層電路,提供具有出色的佩戴舒適性和多功能性的新型的整體可拉伸電子產(chǎn)品。作者制備了三層印刷電路的可拉伸電子氈,分別用作生理信號傳感(頂層)、汗液傳感(中間層)和加熱(底層),實現(xiàn)了對人體生理狀態(tài)和電熱療法的多通道監(jiān)測。包括拉伸、壓縮狀態(tài)下對生理信號的監(jiān)測,汗液中溶質(zhì)濃度的監(jiān)測以及表面溫度的調(diào)節(jié)等(30-90℃)。
多功能可拉伸電子
總結(jié):液態(tài)金屬纖維氈是一種新型的可拉伸導(dǎo)體,可以通過將液態(tài)金屬涂覆或印刷到彈性電紡纖維氈上來輕松制備。簡單的預(yù)拉伸過程中,液態(tài)金屬自發(fā)形成的橫向多孔且褶皺的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)賦予了其極為優(yōu)異的機械與電氣性能,且透氣性佳。此外,還可以通過增加設(shè)備層的數(shù)量來實現(xiàn)多功能電子器件。液態(tài)金屬纖維氈將大大促進(jìn)高集成度、多功能、長期耐久性的可拉伸電子產(chǎn)品的發(fā)展。