液态金属与银纳米线协同网络赋能应变不敏感摩擦电纤维及其多功能应用

《Advanced Fiber Materials》：Liquid Metal and Silver Nanowires Synergic Network-Enabled Triboelectric Fiber for Strain-Insensitive Multifunctional Applications

本研究针对可穿戴摩擦电纤维存在的电极电导率不稳定和摩擦电荷密度受限的双重挑战，通过液态金属(LM)-银纳米线(Ag NWs)协同网络策略，开发出一种兼具超高应变不敏感性和高灵敏度的多功能摩擦电纤维。该纤维电极在740%应变下电导率高达1.07×105S/m，摩擦电输出显著增强，并成功应用于自供电虚拟交互、动能收集、焦耳加热及电磁干扰(EMI)屏蔽，为下一代智能纺织品开辟了新路径。

　　

在数字化和物联网(IoT)迅猛发展的浪潮中，可穿戴电子产品正经历着持续的更新迭代，以更好地服务于日常生活。作为可穿戴设备的基础组成部分，传感器通过持续的生理监测和自适应的环境交互，为个性化医疗保健和人机界面(HMI)带来了范式转变。随着可穿戴传感器向着更高舒适度、集成度和智能化水平迈进，纤维状传感器因其独特的形变适应性、轻质特性以及与纺织品固有的兼容性，已成为下一代智能可穿戴系统的核心平台。在众多纤维传感器中，纤维状摩擦电传感器(TES)因其自供电能力和广泛的材料选择性而脱颖而出，在可穿戴设备和智能机器人领域展现出巨大潜力。

然而，当前研究对电极电导率与TES电输出之间的关系关注不足，这对于纤维状TES尤为关键，因为纤维固有的小直径使其导电层容易发生不可逆的结构损伤和性能退化。传统的可拉伸导电纤维通常依赖于在弹性聚合物基体中嵌入碳基材料、金属颗粒或导电聚合物。虽然这些复合材料表现出一定的延展性，但普遍存在填料分散不均、异质界面结合弱等问题，导致在大应变下电阻剧烈波动。近年来，镓(Ga)基液态金属(LMs)因其固有的流动性、高电导率和生物相容性，为构建稳定的导电网络提供了新思路。但现有的LM基纤维主要通过注入或表面涂覆工艺制备，这些鞘芯结构的纤维在拉伸时由于LM流动路径的改变，仍会遭受连续的电阻变化。此外，这些LM基电极通常存在明显的“激活”挑战，需要施加热量或应力来破坏LM表面的氧化层，这些操作可能损伤聚合物基体或需要复杂后处理，限制了制造效率。因此，构建应变不敏感且易于激活的LM基电极，以实现纤维状TES稳定的摩擦电输出，仍然是一个重大挑战。

另一方面，纤维状TES有限的表面积进一步限制了摩擦电荷密度，从而影响了传感灵敏度。虽然通过表面微结构设计、分子接枝和高介电材料掺杂等方法可以优化二维平面摩擦电器件的性能，但纤维状TES由于加工方法的挑战，仍局限于相对单一的设计和较低的性能。此外，将焦耳加热和电磁干扰(EMI)屏蔽功能无缝集成到纤维中，以扩展其功能性和适用性，是当前研究的热点。

为了解决上述问题，研究人员在《Advanced Fiber Materials》上发表了题为“Liquid Metal and Silver Nanowires Synergic Network-Enabled Triboelectric Fiber for Strain-Insensitive Multifunctional Applications”的研究论文。该研究通过同轴湿法纺丝工艺，巧妙设计了LM-Ag NWs协同结构，同时构建了应变不敏感的电极和电荷增强的摩擦电层，从而开发出一种可拉伸的多功能摩擦电纤维。

本研究主要采用了同轴湿法纺丝技术制备多功能纤维，利用能量色散X射线光谱(EDS)和X射线衍射(XRD)分析其元素组成和结构，通过细胞计数试剂盒(CCK8)法和活/死细胞染色评估其生物相容性，使用扫描电子显微镜(SEM)观察微观结构，借助数字源表和示波器测试电学输出性能，利用拉伸试验机分析力学性能，并通过矢量网络分析仪测量电磁屏蔽效能。

2.1 结构设计与制造工艺

该多功能摩擦电纤维由热塑性聚氨酯(TPU)、LM和Ag NWs组成，采用简单、经济、可控的同轴湿法纺丝工艺一步挤出成型。选择TPU作为基体材料是因为其良好的拉伸性和在摩擦电序列中相对较高的正电性。通过超声处理LM形成小颗粒并均匀分散在TPU/N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，同时添加Ag NWs来调节电极和摩擦电层的性能。以去离子水(DI)作为凝固浴，芯层和鞘层纺丝溶液分别含有不同浓度的LM/Ag NWs，挤出至浴中后发生快速溶剂交换，诱导溶液快速固化形成同轴结构。该纤维具有丰富的微纳孔结构，有利于应力耗散，可轻松悬挂自重500倍的物体，并表现出优异的柔韧性，可打结、弯曲和编织。EDS和XRD分析证实了纤维的成功制备和元素分布，芯层为电极层，密集填充LM/Ag NWs，鞘层为优化的摩擦电层，Ga、铟(In)和Ag元素稀疏分散。生物相容性测试表明，该纤维无细胞毒性，可直接用于皮肤接触的可穿戴设备。

2.2 应变不敏感电极

研究团队设计了LM-Ag NWs协同材料策略以简化电极激活过程。Ag NWs凭借其高长径比和纳米级尖端，在拉伸时通过应力集中效应轻易刺破LM微滴表面的氧化层，流出的LM在毛细管作用下沿Ag NWs流动，与周围Ag NWs和其他破裂的LM颗粒接触，最终形成渗流网络。与未掺杂Ag NWs的纯LM电极层相比，掺杂Ag NWs显著加速了电极的激活。当Ag NWs体积分数(φ)为30%时，电极电导率达到最佳值，即使在740%应变下，电导率仍保持约1.07×10⁵S/m。这种应变不敏感特性归因于LM在TPU基体内的自主表面调整、Ag NWs的桥接效应、TPU与LM表面氧化物之间的氢键作用，以及拉伸时LM导线横截面积增加等因素。力学性能测试显示，适当的Ag NWs掺杂(φ=30%)可优化拉伸强度(7.1 MPa)和断裂应变(740%)。该电极层在10,000次拉伸循环中电阻变化幅度小(~10%)，在压缩、弯曲和扭转下也保持稳定，优于多数已报道的可拉伸导体。稳定的LED点亮演示证实了其在极端弯曲和拉伸下的高适应性。

2.3 增强的摩擦电性能

通过LM和Ag NWs掺杂的异质材料改性策略提升了摩擦电性能。LM超声处理产生的氧化物半导体界面态提供了大量电荷捕获位点，有效阻止电荷复合与泄漏，促进摩擦电荷积累。Ag NWs作为高导电填料，在绝缘TPU聚合物基体中形成异质界面，在电场作用下产生界面空间电荷极化，显著提高摩擦电层的有效介电常数(ε)，从而增强电容(C)和电荷转移效率。当LM/Ag NWs掺杂浓度为1%时，纤维的输出电压达到未掺杂纤维的五倍。表面电荷密度(σ)和ε的测试结果以及开尔文探针力显微镜(KPFM)显示表面电位从~100 mV增至~840 mV，为理论分析提供了定量证据。该纤维在0-163 N压力范围内表现出优异的线性灵敏度(0.05 V/kPa，R2=0.99)，响应时间和恢复时间短，利于快速自供电传感。其输出电压随接触纤维长度(1-5 cm)增加而增大，且在300%拉伸应变下仍能维持输出，而传统的Ag片嵌入纤维在100%应变后即完全电失效。纤维经长时间超声处理(模拟洗涤)和超过11,000次工作循环后，电输出保持稳定。将其与商用聚四氟乙烯(PTFE)纤维编织成织物TENG，在30 cm2接触面积下电压达155 V，在100 MΩ外接负载时最优功率密度为36 μW，可点亮60个串联LED并能快速为商用电容器充电。

2.4 用于虚拟HMI的自供电交互系统

利用该纤维构建了集成五根纤维(~5 cm)的智能手套，作为虚拟空间中HMI的自然交互界面。纤维将手指弯曲运动转换为电信号，经放大、滤波和模数转换(ADC)后传输至计算机处理，通过虚拟串口驱动与Unity平台接口，实现自定义VR射击游戏中的实时手势-动作映射。不同手指弯曲产生可区分的电信号，通过组合信号可控制虚拟角色的前进、后退、射击、装弹和下蹲等动作，验证了其在虚拟现实(VR)交互领域的实用价值。

2.5 焦耳加热与EMI屏蔽

基于应变不敏感电极的稳定高电导率，该纤维还具备了焦耳加热和EMI屏蔽功能。在低电源电压(0.2-1.4 V)下，纤维表面温度因焦耳效应迅速上升，在1.4 V电压下不到1分钟即可从25°C升至81°C。即使在100%、200%和300%应变下，加热性能也保持稳定。将纤维集成到手套中可实现稳定的局部热管理(45°C)，手指弯曲时加热均匀。附着于膝盖的纤维(~20 cm2)可产生热辐射用于热疗，缓解关节疼痛。在EMI屏蔽方面，由LM和Ag NWs构成的协同导电网络结合纤维独特的多孔结构，形成了高效的屏蔽能力。当电磁波(EMW)传播时，几乎不导电的外摩擦电层使其易于进入内电极层，随后因LM微滴和Ag NWs的电导率和界面极化产生欧姆损耗和介电损耗，有效耗散入射EMW能量，多孔结构则延长EMW传播路径，导致多次反射损耗。在2.17-3.3 GHz频率范围内，织物的吸收屏蔽效能(SE_A)高达47 dB，总屏蔽效能(SE_T)达51 dB，可阻挡约99.99%的入射电磁辐射。掺杂Ag NWs的织物屏蔽性能优于纯TPU/LM织物，且在300%应变下SE_T仍高于50 dB。自制无线功率传输演示表明，该纤维织物能有效屏蔽电磁波，而普通亚麻织物则不能。

本研究成功开发了一种高拉伸、超稳定、多功能的摩擦电纤维。通过Ag NWs桥接的LM导电网络，电极层在740%应变内表现出优异的电导率稳定性，且可在轻微应力下快速激活。摩擦电层通过LM氧化物界面电荷捕获和Ag NWs优化的介电特性，克服了纤维状TES的固有性能限制，实现了高灵敏度压力响应和足够的功率输出。构建的自供电智能手套可用于VR交互，验证了其在HMI领域的实用价值。同时，纤维的高导电网络还赋予了其优异的焦耳加热性能(1.4 V电压下60秒内加热至81°C)和高达50 dB的EMI屏蔽效能，即使在300%应变下也能保持功能稳定。这种集自供电传感、能量收集、焦耳加热和电磁辐射防护于一体的耦合特性，突破了单功能器件的局限，为下一代自适应可穿戴系统提供了新的材料架构和制造策略。