关于“通过静态-动态致密化制备用于无线电子纺织品的超强MXene复合纤维”研究的学术报告

一、 主要作者、机构及发表信息

本项研究由来自多个机构的科研团队合作完成。第一作者为 Tianzhu Zhou，通讯作者为 Qunfeng Cheng 和 Lei Wei。参与机构包括：新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院；中国科学技术大学苏州高等研究院生物质界面科学与技术重点实验室、化学与材料科学学院；北京航空航天大学化学学院、教育部仿生智能界面科学与技术重点实验室；新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院；英国帝国理工学院土木与环境工程系；香港城市大学建筑与土木工程系；上海理工大学能源材料科学研究所。该研究成果于2025年发表在 《自然·通讯》 期刊上。

二、 学术背景

本研究的科学领域属于先进功能纤维材料与智能织物电子学。二维材料MXene（以Ti₃C₂Tₓ为代表）因其极高的本征拉伸强度（~17.3 GPa）和优异的电导率（~2.4 × 10⁴ S cm⁻¹），被视为制造高性能纤维的理想材料。然而，在将MXene纳米片组装成宏观纤维的过程中，纳米片之间较弱的界面相互作用会导致形成横向皱纹和大量空隙。这些结构缺陷严重阻碍了MXene纳米片优异的力学和电学性能在宏观纤维中的传承与体现，导致实际制得的MXene纤维性能远低于其纳米片的理论值。此前的研究，如湿法纺丝等，主要通过促进纳米片的轴向排列来提升性能，但未能有效解决横向皱纹和空隙问题，且纤维的机械耐久性不足，限制了其在可穿戴智能纺织品中的实际应用。

因此，本研究旨在解决这一核心挑战。其目标是开发一种可控且连续的规模化制备方法，以消除或大幅减少MXene纤维中的空隙，并增强纳米片的取向排列，从而制造出兼具超高强度、高韧性、高导电性及优异耐久性的MXene复合纤维，最终将其应用于高性能、无电池、无线通信的智能电子纺织品。

三、 详细工作流程

本研究的工作流程是一个系统性的材料设计、制备、表征与应用验证过程，主要包含以下几个关键步骤：

1. 材料制备与静态填充策略： 研究首先通过化学蚀刻和振动剥离法从Ti₃AlC₂前驱体制备出横向尺寸约11.1 μm、厚度约1.5 nm的Ti₃C₂Tₓ MXene纳米片。为解决湿法纺丝中因弱界面作用产生的横向皱纹和空隙，研究团队创新性地提出了静态填充方法。他们选用短羧基化多壁碳纳米管作为填充剂，将其与MXene纳米片分散液混合。这些短CNTs（优化长度约0.46 μm）在湿法纺丝过程中，能够嵌入MXene纳米片之间因皱纹形成的空隙中，并通过氢键与MXene纳米片桥接。这种填充作用在纺丝阶段即“静态”地减少了空隙，并初步增强了纳米片的轴向排列。通过优化CNTs的长度（~0.46 μm）和含量（3 wt%），他们成功制备了MXene-CNTs复合纤维（MC纤维），其孔隙率从纯MXene纤维（MX纤维）的约22.7%降低至约6.2%，取向因子从0.831提升至0.915。

2. 动态热拉伸致密化与封装层原位生成： 为进一步致密化纤维并获得保护层，研究团队在静态填充的基础上引入了动态热拉伸工艺。他们将上述MC纤维作为芯层，喂入一个中空的聚乳酸预成型体中，然后在中心温度210°C下进行热拉伸。在此过程中，热拉伸产生的动态应力（包括横向压应力和轴向拉应力）被施加到内部的MC纤维上。随着拉伸比从47增加到71，横向应力增大至17.3 MPa，进一步压缩了纤维内部的残余空隙；轴向应力增大至34.5 MPa，进一步增强了MXene纳米片和PLA分子链的轴向排列。同时，熔融的PLA在热拉伸过程中原位形成了一层均匀的封装层，该PLA层同样通过氢键与内部的MXene纳米片结合。这一“动态”过程最终制得了具有三层结构（MXene/CNTs芯层、PLA封装层）的超强MXene-CNTs-PLA复合纤维（MCP纤维）。通过此策略，MCP纤维的孔隙率被进一步显著降低至约4.2%，MXene纳米片的取向因子提升至约0.945。

3. 材料结构与性能表征： 研究采用了多种先进的表征技术来系统分析纤维的微观结构、界面相互作用和宏观性能。 * 结构表征： 使用扫描电子显微镜和聚焦离子束观察纤维横截面和轴向形貌，证实了静态-动态致密化策略能有效减少空隙和皱纹。通过高分辨率透射电子显微镜直接观察到CNTs填充在MXene片层之间。利用纳米计算机断层扫描对纤维进行三维重建，直观展示了MX、MC和MCP纤维中空隙体积和分布的显著差异，为孔隙率的降低提供了直接证据。 * 界面相互作用分析： 采用傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱，分析了纤维中各组分间的化学键合。结果显示，CNTs的-COOH与MXene的-OH之间，以及PLA的C=O与MXene的-OH之间均形成了氢键，这从化学角度证实了界面强化的机制。 * 力学与电学性能测试： 使用万能材料试验机测试纤维的应力-应变曲线，计算拉伸强度、模量和韧性。采用四探针法测量电导率。MCP纤维展现出创纪录的力学性能：拉伸强度高达~941.5 MPa，韧性~147.9 MJ m⁻³，电导率达~3899.0 S cm⁻¹，其内部MXene芯层的电导率更是高达~12,836.4 S cm⁻¹。 * 断裂机理研究： 结合密度泛函理论计算和有限元分析，深入探究了MCP纤维的断裂机制。DFT计算量化了MXene-MXene、CNTs-CNTs、CNTs-MXene和PLA-MXene四种界面的吸附能和电子转移数，证实了氢键界面（CNTs-MXene, PLA-MXene）的强度远高于范德华力界面（MXene-MXene, CNTs-CNTs）。FEA模拟了纤维在拉伸载荷下的失效过程，揭示了断裂始于MXene片层间的滑移，随后CNTs-MXene和PLA-MXene界面的氢键逐步断裂并耗散能量，最后CNTs被拔出、PLA层开裂，这与实验观察到的断裂形貌一致。

4. 智能纺织品制造与性能评估： 将制备的MCP纤维通过数字化控制刺绣技术，集成到普通织物上，形成花朵、矩形、圆形等螺旋电感图案，制成智能纺织品（MCP织物）。 * 电磁性能与机械耐久性测试： 使用矢量网络分析仪测量纺织品的散射参数和品质因子。MCP织物在13.56 MHz频率下表现出优异的电磁性能（S₁₁ = -25.0 dB）。对其进行了严格的机械耐久性测试，包括反复弯曲（9×10⁴次，180°）、扭转（3×10⁴次，360°）、拉伸（5×10⁴次，20%应变）和洗涤（90次）。测试后，MCP织物仍能保持极高的电导率保留率（>99.5%）和稳定的无线信号传输性能，远优于商用铜线和聚酰亚胺封装铜线织物。 * 无电池无线人体健康监测系统演示： 构建了一个由无线供电单元、传感单元和数据存储单元组成的系统。传感单元（集成温度、脉搏压力、紫外线传感器）嵌入在衣物胸前的花朵图案中，数据存储单元位于手腕的图案中。通过智能手机的近场通信功能，可以在超过50厘米的距离（远超常规NFC范围）启动系统，实现对使用者体温、脉搏和紫外线照射强度的长时间（12小时）稳定监测，数据可无线传输并存储。 * 体耦合无线交互纺织品演示： 进一步在MCP纤维基础上，通过涂覆VSASR-ZnS:Cu²⁺层，制备了具有发光功能的MCP-V纤维。该纤维利用人体耦合电磁场，无需电池即可在触摸时发出可见光并产生无线电信。将其刺绣成图案和文字，可用于辅助通信。更重要的是，利用该纤维织物作为无线遥控界面，成功实现了对无人机（起飞、降落、前进、后退、负载/卸载等动作）的远程、无电池控制，控制距离可达约5公里。

四、 主要研究结果

1. 成功开发了静态-动态致密化策略： 通过短CNTs静态填充和PLA动态热拉伸相结合，首次实现了在千米尺度上连续、可控地制备超强MXene复合纤维。该策略将纤维孔隙率从纯MXene纤维的~22.7%大幅降低至MCP纤维的~4.2%，并将MXene纳米片的取向因子从0.831提升至0.945。
2. 获得了创纪录的纤维综合性能： 最优化的MCP纤维（MCP-71）表现出卓越的力学和电学性能：拉伸强度~941.5 MPa，韧性~147.9 MJ m⁻³，电导率~3899.0 S cm⁻¹（内部MXene芯层电导率~12,836.4 S cm⁻¹）。其性能远超此前报道的各类MXene基纤维及其他高性能纤维（如部分碳纤维、CNT纤维、金属线等）。
3. 阐明了基于氢键的界面增强与断裂机理： 光谱学和理论计算证实，CNTs和PLA均通过氢键与MXene纳米片强效结合。这种强界面相互作用显著提升了应力传递效率和能量耗散能力，是纤维获得超高强度和韧性的关键。断裂过程模拟与实验观察吻合，揭示了从弱界面滑移到强氢键断裂、最后增强相拔出的多级耗能机制。
4. 制备出高性能、高耐久性的智能电子纺织品： 基于MCP纤维的刺绣织物展现出优异的电磁性能（S₁₁ = -25.0 dB @13.56 MHz）和前所未有的机械耐久性，在极端弯曲、拉伸、扭转和多次洗涤后性能保持稳定。
5. 实现了多功能无线应用演示： 成功构建了长距离、无电池的无线人体健康监测系统，可稳定监测多项生理与环境参数。此外，开发了基于体耦合能量收集与信号传输的MCP-V纤维，实现了无需电池的发光、无线信号发射，并以此为核心制作了可远程（5公里）精确控制无人机的智能交互织物。

各环节结果逻辑紧密：结构表征和性能测试结果（1,2,3）直接证明了静态-动态致密化策略的有效性，并阐明了性能提升的微观机理。基于优异纤维性能（2）和阐明的机理（3），才得以制造出高耐久性的智能织物（4），并最终支撑起两个创新的无线应用演示（5），形成了从材料设计、制备、机理研究到实际应用验证的完整证据链。

五、 研究结论与价值

本研究提出并验证了一种普适性强的“静态-动态致密化”策略，成功解决了二维材料纳米片在组装成宏观纤维时因横向皱纹和空隙导致的性能损失这一共性难题。所制备的MXene复合纤维在强度、韧性和导电性方面达到了新的高度，为高性能功能纤维的制造提供了一条新途径。

其科学价值在于：① 深入揭示了通过一维纳米材料填充和聚合物封装协同增强二维材料纤维界面的机理；② 证明了动态热加工过程在进一步致密化和取向排列方面的关键作用；③ 展示了从纳米尺度界面工程到宏观纤维性能提升，再到智能织物系统集成的完整创新链条。

其应用价值显著：所开发的智能电子纺织品在无线健康监测、人体耦合交互、远程控制等领域展现出巨大潜力。纤维优异的机械耐久性解决了可穿戴电子设备在日常使用、清洗和变形中性能衰退的核心痛点，向实用化迈出了关键一步。

六、 研究亮点

1. 方法创新： 首创“静态填充（CNTs）+ 动态热拉伸（PLA封装）”的双重致密化策略，巧妙结合了两种方法的优势，实现了对纤维微观结构（孔隙率、取向）的精确调控。
2. 性能突破： 制备的MCP纤维创造了MXene基纤维拉伸强度的新纪录（~941.5 MPa），同时兼顾了高韧性、高导电性和优异的柔韧性，综合性能处于领先地位。
3. 机理深入： 综合运用多种先进表征手段（如nano-CT 3D重建）和理论计算（DFT, FEA），从多尺度、多角度深入阐明了纤维的增强机理和断裂过程，为材料设计提供了深刻见解。
4. 应用导向与系统集成： 研究不仅停留在材料制备，更进一步展示了纤维在智能纺织品中的实际应用，构建了完整的无电池无线传感和交互系统，验证了其在高要求场景（如远程无人机控制）下的可靠性和实用性，体现了强烈的应用导向和系统集成能力。
5. 可扩展性： 该策略被证明可用于连续化、规模化（千米级）生产，并作者指出该策略为基于各种纳米结构功能材料制备高性能纤维提供了通用路径，具有广泛的适用前景。

七、 其他有价值内容

研究中对纤维耐久性的测试非常全面和严格，包括数万次的弯曲、拉伸、扭转循环以及多次标准洗涤，这些数据为评估可穿戴电子产品的使用寿命提供了宝贵参考。此外，研究还测量了集成MCP纤维后织物的湿气透过率，发现与原始织物几乎没有差异，证明了其良好的穿戴舒适性，这是智能纺织品商业化的重要考量因素，常被同类研究忽略。这些细致的工作进一步提升了研究的完整性和说服力。