由于紡織電子產(chǎn)品通常佩戴在人體上，它們不可避免地會因人體運動產(chǎn)生的大量變形而被拉伸或壓縮。因此，需要紡織電子產(chǎn)品在經(jīng)歷不規(guī)則和重復(fù)的應(yīng)變變形時能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)變不變的性能。這種應(yīng)變不變的紡織電子產(chǎn)品需要先進(jìn)的纖維，這些纖維同時具有高功能和作為織物材料的極端堅固性。目前基于無機(jī)基質(zhì)的合成納米復(fù)合纖維具有顯著的功能，但往往存在強(qiáng)度低和抗裂紋耐受性差的問題；因此，它們不能承受大應(yīng)變或循環(huán)應(yīng)變載荷。在這里，提出了一種高性能多功能納米復(fù)合纖維的設(shè)計，該纖維在機(jī)械和電氣方面都非常堅固，這是通過將碳化鈦 (MXene) 納米片與滑環(huán)聚輪烷交聯(lián)形成內(nèi)部機(jī)械互鎖網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的。這種無機(jī)基質(zhì)納米復(fù)合纖維具有明顯的應(yīng)變硬化機(jī)械性能和出色的承載能力（韌性接近 60 MJ/m
3和延展性超過 27%)。它在循環(huán)應(yīng)變加載后保留了 100% 的延展性。此外，納米復(fù)合纖維的高電導(dǎo)率（>1.1×10
5 S/m）和電化學(xué)性能（>360 F/cm
3）在纖維經(jīng)受廣泛（> 25%應(yīng)變）和長期-后仍能很好地保持。長期重復(fù)（10,000 次循環(huán)）尺寸變化。這種卓越的堅固性允許將納米復(fù)合纖維制造成各種堅固的可穿戴設(shè)備，例如具有應(yīng)變不可改變傳感性能的基于紡織品的機(jī)電傳感器和在 10,000 次應(yīng)變加載循環(huán)中具有不變電化學(xué)性能的纖維狀超級電容器。
Fig 1. cMP 纖維的示意圖和 MD 模擬。 (a) 機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)的功能示意圖，允許 PEG 主鏈拉伸，α-CD 環(huán)在聚輪烷中沿 PEG 主鏈滑動，以及 MXene 納米片在拉伸應(yīng)變下沿軸向相互滑動。 (b) 機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)中 MXene 納米片和 α-CD 環(huán)之間形成的共價鍵和配位鍵的交聯(lián)點。 (c) 由機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的不同應(yīng)變狀態(tài)下 cMP 纖維結(jié)構(gòu)穩(wěn)健機(jī)制的 MD 模擬。
Fig 2. cMP 纖維的表征。 (a) 纏繞在鼓上的一米長 cMP 纖維的照片。 (b) cMP 纖維脆性斷面的 SEM 圖像。 (c) 純 MXene 和 cMP 纖維的 FT-IR 光譜比較。 (d) Ti 2p 區(qū)域和 (e) C 1s 區(qū)域中的 cMP 和 MP 纖維的 XPS 光譜。
Fig 3. cMP 纖維的機(jī)械性能。 (a) MXene、cM、MP 和 cMP 纖維的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線。只有 cMP 納米復(fù)合纖維的曲線顯示出應(yīng)變硬化行為。 CMP 纖維在 (b) 未拉伸狀態(tài)和 (c) 15% 拉伸應(yīng)變下的 (002) 峰處的 D WAXS 散射圖案和方位角掃描輪廓。拉伸測試后 (d) MXene 纖維和 (e) cMP 纖維的斷裂表面的 SEM 側(cè)視圖。 (f) 5 厘米長的 cMP 纖維舉起超過其自身重量 28,000 倍的負(fù)載并以 200 rpm 的速度旋轉(zhuǎn)的照片。 (g) 緊密打結(jié)的 cMP 纖維的 SEM 圖像。(h) 照片顯示使用針織機(jī)將 cMP 纖維與商用尼龍纖維編織成紡織品。 (i) 基于 cMP 纖維的柔性紡織品的照片。
Fig 4. cMP 光纖的機(jī)械和電氣穩(wěn)健性。在 (a) 5–6%、(b) 10–11% 和 (c) 15–16% 之間的 1000 個應(yīng)變加載循環(huán)后測量的 cMP 纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 (d) 電導(dǎo)率和電阻隨 cMP 纖維的拉伸應(yīng)變而變化。 (e) 純 MXene 和 cMP 纖維在 20 ℃和 RH 為 85% 的條件下儲存 30 天后的電導(dǎo)保留百分比。 (f) 分別重復(fù) 2-3%、10-11%、15-16% 和 20-21% 應(yīng)變 10,000 次拉伸釋放循環(huán)后 cMP 纖維的電導(dǎo)保留百分比。在 (g) 10–11%、(h) 15–16% 和 (i) 20–21% 應(yīng)變之間，cMP 纖維在 10,000 個拉伸釋放周期內(nèi)的相對電阻變化。
Fig 5. 應(yīng)變未擾動紡織品傳感器的演示。 (a) 包裹在手腕上的可穿戴 cMP 纖維織物傳感器的照片，用于監(jiān)測手腕彎曲期間的人體動脈脈搏。手腕彎曲時，織物傳感器會隨著皮膚變形而變形。 (b) 纏繞在手腕上的 cMP 紡織品傳感器測得的動脈脈搏波形的典型等值線圖。 (c-f) 人體動脈脈搏的輸出波形是在各種手腕運動下從 cMP 紡織品傳感器測量的。 (c) 佩戴 cMP 紡織品傳感器的人手腕在不同手腕運動下：放松（狀態(tài) 1）、向左彎曲 15
o（狀態(tài) 2）和向左彎曲 30
o（狀態(tài) 3）以及兩種特定輸出波形信號相應(yīng)手腕彎曲狀態(tài)下的脈沖周期。 (d) 從 (c) 的不同手腕彎曲狀態(tài)下連續(xù)脈搏監(jiān)測獲得的 UT、RWTT、LVET、PPT、PWV 和 SI 值。 (e) 佩戴cMP紡織傳感器的人手腕在不同手腕運動狀態(tài)下：放松（狀態(tài)1）、向前彎曲（狀態(tài)2）和向后彎曲（狀態(tài)3）以及相應(yīng)的兩個脈沖周期的特定輸出波形信號手腕彎曲狀態(tài)。 (f) 從 (e) 的不同手腕運動狀態(tài)下連續(xù)脈搏監(jiān)測獲得的 UT、RWTT、LVET、PPT、PWV 和 SI 值。每個設(shè)備測量了五個以上的樣本。
Fig 6. cMP 纖維和基于 cMP 纖維的超級電容器的穩(wěn)健電化學(xué)性能。 (a) cMP 和純 MXene 纖維的電化學(xué)阻抗譜 (EIS) 數(shù)據(jù)。 (b) cMP 纖維在各種應(yīng)變下的初始和拉伸狀態(tài)下的電化學(xué)阻抗譜 (EIS) 數(shù)據(jù)。 (c) cMP 纖維電極的循環(huán)伏安法 (CV) 曲線（從 5 到 100 mV/s）。 (d) cMP 纖維電極循環(huán)過程中的電容保持率。插圖顯示了 cMP 纖維電極的第 1-5、9995-10000、19995-20000 和 24995-25000 循環(huán)。 (e) cMP 纖維電極的電容保持率與拉伸應(yīng)變的關(guān)系。插圖顯示了 cMP 纖維電極在各種應(yīng)變下處于初始和拉伸狀態(tài)時 20 mV/s 的 CV 曲線。 (f) cMP 纖維電極在初始狀態(tài)下和 10,000 次拉伸循環(huán)后分別在 5–6%、10–11%、15–16% 和 20–21% 的應(yīng)變之間的 CV 曲線為 20 mV/s。 (g) 在分別為 5–6%、10–11%、15–16% 和 20–21% 的應(yīng)變之間進(jìn)行 10000 次拉伸循環(huán)后，cMP 纖維電極的電容保持率。 (h) cMP 纖維的恒電流充電/放電曲線（15 A/cm3）在應(yīng)變分別為 5–6%、10–11%、15–16% 和 20–21% 之間進(jìn)行 10000 次拉伸循環(huán)后的電極。 (i) cMP FSC 在初始狀態(tài)和 10000 次拉伸循環(huán)后的體積能量密度和功率密度分別為 5-6%、10-11%、15-16% 和 20-21%，與最先進(jìn)的基于纖維的超級電容器。
相關(guān)研究工作由南開大學(xué)Jiajie Liang課題組于2023年在線發(fā)表在《Advanced Materials》期刊上，原文：Extremely Robust and Multifunctional Nanocomposite Fibers for Strain-Unperturbed Textile Electronics。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
