面向高性能弹性导电纤维的温度自适应组分动态协调策略：一项突破性研究
第一作者及机构 本研究由来自东华大学（Donghua University）纺织学院先进纤维材料国家重点实验室的张悦（Yue Zhang）作为第一作者，熊佳庆（Jiaqing Xiong）教授作为通讯作者主导。合作者包括东华大学材料科学与工程学院的明泽昶（Zechang Ming）、魏晓杰（Xiaojie Wei）、黄晶晶（Jingjing Huang）、鲁泽仁（Zeren Lu）以及纺织学院的周子杰（Zijie Zhou）、李伟康（Weikang Li）、朱立明（Liming Zhu）、王爽（Shuang Wang）、吴梦洁（Mengjie Wu）和来自东华大学纺织科技创新中心的张宇凡（Yufan Zhang）、周欣然（Xinran Zhou）。该研究成果已于2025年7月7日在线发表于国际知名学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上，文章编号为 10.1038/s41467-025-62140-y。
学术背景与研究动机 本研究的核心科学领域是柔性电子与智能纺织品，具体聚焦于弹性导电纤维（Elastic Conductive Fibers, ECFs）。随着可穿戴设备、软体机器人及极端温度电子设备的发展，对能够无缝集成到织物中、同时具备优异弹性、高导电性且能适应宽温域（如严寒或高温环境）的导电纤维需求日益迫切。然而，现有导电纤维材料往往难以兼顾这些性能：碳纤维弹性极低（~1-2%）；离子水凝胶纤维导电性（~400 S cm⁻¹）和热稳定性不足；金属纤维（如银、铜）虽导电性好，但缺乏弹性和可编织性。因此，开发一种能在微观尺度上耦合机械-电-热性能，实现弹性、导电性和温度适应性三者平衡的ECF，是本领域面临的关键挑战。本研究旨在通过创新的材料设计与制备工艺，解决这一难题，为下一代自适应电子纺织品提供核心材料基础。
详细研究流程 本研究包含纤维设计、制备、表征、机理探究及应用验证等一系列严谨的流程。
纤维设计与湿法纺丝制备：
- 研究对象与配方：研究团队设计了一种三元复合纤维，命名为PUAL纤维。其核心配方由弹性基体热塑性聚氨酯（Thermoplastic Polyurethane, TPU）、主要导电填料银片（Silver Flakes, AgFks）以及作为软性桥接填料的共晶镓铟液态金属微球（Liquid Metal Microspheres, LMMs of EGaIn）构成。研究首先对比了不含AgFks的PUL（TPU/LMMs）纤维和不含LMMs的PUA（TPU/AgFks）纤维，以明确各组分作用。
- 制备工艺：采用工业化的湿法纺丝（Wet-Spinning）技术进行大规模连续制备。将TPU溶解在N，N-二甲基甲酰胺（DMF）中形成纺丝溶液，然后加入AgFks和LMMs均匀分散。通过注射泵控制流速（5-60 mL h⁻¹），将纺丝液从针头（内径510 μm）挤出到水凝固浴中，在剪切力和轴向牵引力的作用下，纤维成型并被收集。此工艺的关键创新在于，纺丝过程中的剪切流场能诱导二维片状的AgFks发生旋转并沿纤维轴向高度取向排列（取向度超过80%），而LMMs则随机分布。通过优化纺丝速度（20 mL h⁻¹为佳）和填料比例（AgFks:TPU质量比3.5，LMMs:AgFks质量比2），成功制备出直径均匀（~350 μm）、长度可达60米、性能稳定的PUAL纤维。
材料基本性能与结构表征：
- 表征方法：采用扫描电子显微镜（SEM）观察纤维截面、纵向剖面及填料分布形态；利用X射线衍射（XRD）、动态热机械分析（DMA）、热机械分析（TMA）、热重分析（TGA）和流变仪等手段系统分析了TPU基体的热力学行为（如玻璃化转变温度Tg = -34°C，软化温度~142°C，粘流态起始温度~182°C），这定义了纤维的潜在工作温区（约-30°C至180°C）。通过广角X射线散射（WAXS）和SEM图像统计，定量验证了AgFks的高取向度。
- 基本性能：优化后的PUAL纤维在室温下展现出优异的综合性能：断裂应变高达450%，极限强度为10.6 MPa，电导率约1070 S cm⁻¹。同时，纤维具备良好的可打结性和可编织性，能编织成复杂的三维结构。
温度自适应导电增强机理研究：
- 高温静态导电增强：将PUAL纤维从25°C加热至140°C和180°C，并监测其电导率变化。结果显示，电导率从1070 S cm⁻¹显著提升至2025 S cm⁻¹（140°C）和3020 S cm⁻¹（180°C）。为探究机理，进行了系列实验：
- 原位SEM与FTIR：加热后，AgFks表面的润滑剂被去除，表面变得粗糙，轮廓更清晰（“脱脂”效应），傅里叶变换红外光谱中羟基峰减弱证实了这一点。这暴露了更多Ag表面，增强了填料间的电接触。
- LMMs作用：高温下（尤其是150°C以上），LMMs发生变形和破裂，释放出液态金属（LM），桥接并补偿了AgFks之间的导电通路。
- 循环加热测试：在25°C与100°C之间循环加热，首次加热导致电导率跃升，冷却后因TPU收缩使填料排列更紧密，电导率进一步升高。后续循环中，持续的AgFks脱脂和少量LM释放使高温电导率逐步提升直至饱和。对比实验表明，AgFks脱脂是高温导电增强的主导机制，TPU基体的可逆热胀冷缩调控过程，而LMMs在更高温下起补充作用。
- 低温静态导电增强：将纤维从25°C冷冻至-30°C。电导率从~1070 S cm⁻¹自主提升至1160 S cm⁻¹。经过五个冻融循环后，-30°C下的电导率进一步提升至1220 S cm⁻¹。
- 机理验证：原位SEM和TMA测试显示，低温下TPU基体发生可逆收缩（轴向长度变化dl/l0约-0.18%），导致纤维横截面积略微减小，迫使内部的AgFks和LMMs排列更加紧密，从而增强了填料间的电连接。这种由基体收缩驱动的填料紧密化是低温导电增强的主要机制。
动态机电稳定性增强研究：
- 高温循环拉伸：在高温（60°C, 80°C, 100°C）下对PUAL纤维进行不同应变幅度的循环拉伸测试，监测电阻变化率（δR/R0）。研究发现，在80°C下经过“热-拉伸激活”后，纤维的电稳定性显著提升。即使承受180%的大应变循环，其电阻变化率（~160%）远低于室温下60%应变时的变化率（~500%）。SEM观察证实，在热和机械力的协同作用下，LMMs更易破裂释放LM，动态修复因拉伸而分离的AgFks之间的电连接，形成更稳固的导电通路。经过80°C下1000次60%应变的循环拉伸后，纤维电阻变化率维持在约270%，展示了出色的机电耐久性。
- 低温循环拉伸：在低温（-20°C至0°C）环境下进行循环拉伸测试。PUAL纤维在-20°C至0°C范围内可承受高达70%的拉伸应变，且电阻变化率低于500%，显著优于PUA纤维。这表明低温下TPU的收缩和拉伸的协同作用也能激活LMMs，通过释放LM来补偿和稳定导电通路。
纤维应用演示：
- 环境耐久性：纤维在40%和80%湿度环境下放置15天电导率稳定，长期紫外照射下电导率略有上升，体现了TPU基体的保护作用。
- 可编织性与集成：纤维可手工编织成雪花、刺猬等复杂3D结构，并作为电路点亮LED。可缝入弹性织物承受150%应变，或织入医用绷带用于连续心电图（ECG）监测，其信号质量与商用凝胶电极相当，且能耐100次机洗。
- 极端环境应用：
- 近场通信（NFC）手套：将PUAL纤维制成NFC天线集成于手套，可在-30°C冷冻后于-5°C户外成功实现门禁刷卡，也能在接近570°C高温的窑炉门口工作，展现了宽温域适应性。
- 温度感知手套：集成纤维的手套可通过非接触方式区分冷热物体，实现温度指示。
- 智能消防服：将“动态”（平行于手臂，感知弯曲和温度）和“静态”（垂直于手臂，仅感知温度）两种PUAL纤维集成于消防服手臂。当环境温度超过设定阈值（如100°C）时，系统能通过LED亮度变化和蓝牙传输至手机APP进行高温预警，展示了在危险环境下的无线感知与通信潜力。
主要研究结果 1. 成功制备高性能PUAL纤维：通过湿法纺丝工艺，成功制备出兼具高弹性（断裂应变450%）、高导电性（室温1070 S cm⁻¹）和优异可编织性的三元复合弹性导电纤维。 2. 揭示“冷/热拉伸激活的三组分动态协调机制”： * 高温静态：AgFks“脱脂”暴露导电表面是主导机制，TPU热膨胀/收缩调节过程，LMMs高温破裂提供额外电补偿。 * 低温静态：TPU基体冷收缩迫使导电填料排列更紧密，是导电增强主因。 * 动态（拉伸激活）：在高温或低温下施加机械拉伸，能协同促进LMMs破裂释放LM，动态修复和增强AgFks网络连接，从而大幅提升纤维在循环拉伸下的电稳定性。特别是在80°C下激活后，纤维能承受更大应变且电阻变化更小。 3. 实现宽温域自适应性能：PUAL纤维的电导率能在-30°C（1160 S cm⁻¹）和180°C（3020 S cm⁻¹）下均高于室温值，并在-30°C至180°C范围内通过机械拉伸激活获得更稳定的机电性能。 4. 验证实际应用潜力：纤维具备规模化生产能力、优良的环境稳定性、可编织性和机器洗涤耐久性。成功演示了其在生物医学电极、宽温域NFC设备、温度感知交互和智能消防服等电子纺织品中的实际应用。
结论与价值 本研究提出并验证了一种通过“温度自适应组分动态协调”策略制备高性能弹性导电纤维的通用方法。其核心科学价值在于揭示了由TPU基体热力学行为驱动、AgFks与LMMs协同响应的“力-热-电”耦合增强机制。该机制不仅实现了纤维在极端温度下电导率的自主提升，更通过“热/冷-拉伸激活”实现了在严苛机械变形下的电稳定性强化。
在应用价值上，该工作突破了传统导电纤维在弹性、导电性和温度适应性之间难以权衡的瓶颈，提供了一种可大规模制备、易于纺织集成、能适应从极寒到高温恶劣环境的通用型导电纤维材料平台。这极大地拓展了电子纺织品的应用场景，为发展下一代自适应可穿戴设备、软体机器人和极端环境电子系统奠定了关键材料基础。
研究亮点 1. 机理创新：首次系统提出并实验验证了“冷/热拉伸激活的三组分动态协调机制”，阐明了温度变化和机械应变如何协同调控复合材料内部导电网络的演化，从而自主优化其电学性能。 2. 性能突破：制备的PUAL纤维在宽温域（-30°C至180°C）内同时实现了高导电性、高弹性和优异的循环拉伸稳定性，其综合性能优于文献中报道的大多数ECFs。 3. 工艺与材料普适性：采用的湿法纺丝是成熟的工业化技术，利于放大生产。研究中还验证了该机理在其他热塑性弹性体（如SEBS， SIS）基纤维中也存在，表明该策略具有一定的普适性。 4. 应用导向明确：从基础机理研究到最终的应用演示（ECG、NFC、消防服）形成了完整闭环，充分展示了该材料解决实际问题的潜力，特别是在极端环境下的应用前景。
其他有价值内容 研究还通过流体动力学有限元分析和SEM图像，定量分析了湿法纺丝过程中剪切应力对AgFks取向度的影响，为工艺优化提供了理论指导。此外，对纤维进行了PDMS封装以消除液态金属潜在泄漏风险的探索，表明在确保安全性的前提下仍能保持其机电优势，这对其实际应用至关重要。