（文章來源：材料牛）

 

【引言】

 

在過去的幾十年中，電子設備變得很小，這提高了它們的便攜性。電子設備的尺寸變小和便攜性增加的這些趨勢導致可穿戴電子產品的快速發展，例如電子皮膚，智能手表和運動腕帶。在各種類型的可穿戴電子產品中，結合傳統紡織品和電子設備的紡織電子產品是一種有吸引力的選擇。因此，在過去幾十年中，科學家已經做出許多努力來開發用于可穿戴人機界面，生物醫學應用和智能運動服的各種紡織電子設備。在這方面，一維形式的可拉伸和可穿戴電子設備可以直接集成到日常服裝中，對于未來的可穿戴電子設備而言是非常有前途的。此外，纖維結構的層級特性使得一維電子設備和系統非常適用于先進的可穿戴電子設備。包括1D電子設備的1D組件還具有適合于可穿戴電子設備的獨特特性，例如柔軟性，可拉伸性，透氣性和對損壞的高耐受性。此外，在日常生活中的自然運動期間，衣服的某些部分經常被拉伸和變形，從而增加了1D電子設備的可拉伸性的重要性。盡管許多現有衣服僅通過特定織物結構（例如機織或針織結構）通過剛性紗線獲得一定的拉伸性，但由這種織物結構產生的拉伸性不足以覆蓋特定應用中所需的高拉伸性。為了實現一維可拉伸電子器件和系統，具有高導電性和拉伸性的一維可拉伸電極（例如導電紗線或細絲）的開發是十分必要的。在這方面，基于紡織技術，電子學和納米技術的融合，最近在開發各種高性能1D可拉伸導電紗線方面的進展是相當顯著的。雖然與現有的2D可拉伸電子設備相比，一維可拉伸電子設備的成就仍然不顯著，但由于這種一維可伸縮電子技術的潛在應用，依然吸引了大量的研究關注。

 

【成果簡介】

 

近日，韓國延世大學Taeyoon Lee教授總結了先進可穿戴電子產品的一維可伸縮電子產品的現狀和最新成果，該產品有望成為醫療保健，環境監測，人機界面，能源轉換等領域的主要技術之一。本綜述分為大致三個部分，回顧了一維可拉伸電極的各種導電材料和制造方法，以及基于一維可拉伸電極的代表性一維電子器件的最新進展。在第一部分中，介紹了用于一維可拉伸電極的碳基納米材料和金屬納米材料的特性、優點和局限性。用于一維可拉伸電極的常規和先進制造技術在第二部分中詳細描述。在第三部分中，提出了基于一維可拉伸電極的各種一維電子設備：例如，機械傳感器，環境傳感器，光纖加熱器以及能量收集和存儲設備。本綜述的主要目的是提供對近年來開發的一維可拉伸電極及其應用的廣泛概述和理解。盡管到目前為止已經發表了許多關于2D平面可拉伸電子設備的綜述以及一些關于基于1D光纖的電子設備的綜述，但目前還沒有綜述主要關注具有一維結構的電子設備。這篇綜述論文將有助于擴大研究領域，幫助新研究人員進入這一領域。此外，基于本文對該領域相關研究，局限性和前景的系統總結，預計許多研究人員將有效地利用它來推進研究領域的發展。該成果以題為“Recent Advances in 1D Stretchable Electrodes and Devices for Textile and Wearable Electronics: Materials, Fabrications, and Applications”發表在Adv. Mater.上。

 

【圖文導讀】

 

Figure 1.用于一維可拉伸電極的碳納米材料

 

 

a）使用rGO，TiO2和PDMS的可拉伸電熱彩色纖維的結構示意圖

 

b）具有不同顏色的可拉伸電熱彩色纖維的照片

 

c）在不同的浸涂時間下用rGO（PDCY-RGO）進行等離子體處理的雙涂層紗線的電導率

 

d）石墨烯基導電纖維的制造過程示意圖

 

e）制造的石墨烯基導電纖維的光學圖像

 

f）具有均勻滾動結構的單個石墨烯纖維的SEM圖像

 

g）基于rGO的導電纖維的側視SEM圖像

 

h）石墨烯/ PVA（G@PVA）纖維的制造過程示意圖

 

i）纏繞在塑料棒上的G@PVA纖維的照片和SEM圖像

 

j）基于同軸SWCNT的可拉伸導電纖維的碎裂

 

k）基于SWCNT，MWCNT及其混合物的各種可拉伸導電纖維的電導率比較

 

1-n）FWCNT/PMIA可拉伸導電纖維，FWCNT的TEM圖像和FWCNT/PMIA纖維的光學圖像的示意圖

 

Figure 2.用于一維可拉伸電極的金屬納米材料

 

 

a）使用AgNW，P(VDF-TrFE)納米纖維墊和彈性纖維基材的可拉伸導電纖維的橫截面SEM圖像

 

b）基于表面改性的AgNW和PU復合材料的可拉伸導電纖維的照片

 

c）反射模式下光纖的光學顯微鏡圖像

 

d）復合纖維的橫截面SEM圖像

 

e）AgNW/PU可拉伸導電纖維的制造過程示意圖

 

fg）制造的AgNW / PU可拉伸導電纖維的照片和SEM圖像

 

h）拉伸下的可拉伸導電纖維中AgNW和AgNP的變化的示意圖

 

i）在前和50％應變下，沒有AgNP的0.56wt％AgNWs混合的SBS纖維的背散射SEM圖像

 

j）顯示基于AgNP的可拉伸導電纖維表面的SEM圖像

 

k）Ag納米花濃度對可拉伸導電纖維的拉伸性和導電性的影響

 

l）基于CuNW的可拉伸導電纖維的分層結構的示意圖

 

m）金膜在纖維上生長之前和之后的AuNW/SEBS纖維的光學顯微鏡圖像

 

n）金膜生長后的截面SEM圖像和AuNW/SEBS纖維的相應EDX映射圖像

 

o）基于LM的超伸展導電纖維的照片

 

Figure 3.具有導電材料的可拉伸紗線的直接紡紗方法

 

 

a）由濕紡法制造的可拉伸導電纖維的電導率-應變關系

 

b）可拉伸導電纖維的同軸濕紡工藝的示意圖

 

c）制造的同軸可拉伸導電纖維的照片

 

d）同軸可拉伸導電纖維從5％拉伸至250％應變時的照片

 

e）制造AuNW/SEBS可拉伸導電纖維的干紡工藝示意圖

 

f）在纖維表面上形成AuNWs連續金膜的示意圖

 

g）導電-應變曲線對可拉伸導電纖維的預應變水平的影響

 

h）通過干紡法制造的1.1米長的可拉伸導電纖維的照片

 

i）制造的纖維的照片顯示出其高拉伸性

 

j）拉伸下的可拉伸導電纖維的相對電阻變化和相對導電率變化

 

k）可拉伸導電纖維的熱拉伸方法的示意圖

 

l）純SEBS纖維和填充有LM的SEBS纖維的應力-應變曲線

 

Figure 4.導電材料的涂布，物理和化學性能

 

 

a）基于PU/棉/CNT基可拉伸導電纖維的浸涂工藝的自行開發的制造工藝示意圖

 

b）可拉伸導電纖維的電阻與浸涂的數量

 

c）基于導電材料的浸涂可拉伸導電纖維的制造過程示意圖

 

d）減小Au基可拉伸導電纖維中裂縫的長度和寬度的原理，其在拉伸時提供低電阻變化

 

e）制造的可拉伸導電纖維的照片

 

f）制造的纖維和薄膜的拉伸性和電阻變化。

 

g）通過化學還原過程制造導電纖維的示意圖

 

h）根據Ag離子的吸收和還原循環，導電纖維的電阻變化

 

i）通過化學還原過程的AgNP基可拉伸導電纖維的制造過程的示意圖

 

j）拉伸下的可拉伸導電纖維表面的SEM圖像

 

k）在各種條件下可拉伸導電纖維的導電率和使用根據所應用的應變的經典3D滲濾理論計算的纖維導電率

 

Figure 5.制造一維可拉伸電極的方法

 

 

a）在自然松弛狀態下，3cm長的初生CNTs基可拉伸導電纖維的照片及其相應的更高放大率SEM圖像

 

b）4.4mm長的繩索部分的SEM圖像，由高度均勻，完美排列的環和相應的更高放大率的圖像組成

 

c）在0％，50％和100％的不同應變下基于CNT的彈簧狀可拉伸導電纖維的SEM圖像

 

d）拉伸和釋放過程中可拉伸導電纖維的電阻，應變為100％

 

e）基于螺旋纏繞的纖維電極的可拉伸纖維納米發電機的示意圖

 

f）螺旋纏繞的Cu線電極在釋放狀態和拉伸狀態下的照片

 

g）在纖維能量收集裝置中的可拉伸纖維電極中CNT涂覆的棉線的線圈結構的示意圖

 

h）基于MWCNT層的彎曲結構制造可拉伸導電纖維的示意圖

 

i）基于MWCNT層的2D分級屈曲的可拉伸導電纖維的表面

 

j）根據所施加的應變，基于彎曲MWCNT電極的可拉伸導電纖維的電阻響應

 

k）插入扭曲的矩形夾層纖維的示意圖，其包括Ecoflex橡膠芯和兩個對稱的彎曲CNT電極

 

1,m）SEM圖像顯示了基于扭曲結構和MWCNT層的2D分級屈曲的可拉伸導電纖維

 

Figure 6.1D可拉伸應變傳感器

 

 

a）PEDOT在PS纖維上聚合的示意圖

 

b）線性和鋸齒形可拉伸導電纖維嵌入織物的光學圖像

 

c）AgNW/PU基可拉伸導電纖維的橫截面的SEM圖像

 

d）AgNW/PU纖維的橫截面SEM圖像

 

e）用AgNW和AgNP制造的可拉伸導電纖維相對于增加的應變的電導率變化

 

f）使用具有AgNW-AgNP復合物的可拉伸導電纖維開發的智能手套照片

 

g）用智能手套檢測英文字母“Y”的照片

 

h）智能手套中的手指運動檢測

 

i）基于復絲纖維的纖維應變傳感器的電阻的相對變化作為第一施加和釋放的最大應變的函數

 

j）基于五指節點上的基于光纖的應變傳感器的智能手套照片

 

k）由智能手套控制的遙控手持機器人的照片

 

l）人工膀胱系統的照片及其在豬膀胱上使用基于纖維的應變傳感器的操作

 

m）基于纖維的應變傳感器對豬囊的電阻響應和根據液體的注入和提取的電磁閥的操作

 

n）基于CNT導電纖維的應變傳感器的電容對拉伸和拉伸釋放期間的應變和位移的依賴性，其中藍線是數據的線性擬合

 

o）電容軟應變傳感器光纖的多芯外殼印刷工藝的示意圖

 

p）拉伸電容性光纖應變傳感器的照片

 

q）電容光纖應變傳感器的模型預測，傳感器電阻和總電容高達250％應變

 

Figure 7.1D可拉伸壓力，彎曲和扭轉傳感器

 

 

a）可拉伸和敏感的石墨烯基纖維機械傳感器的制造過程示意圖

 

b）基于纖維的機械傳感器在向前彎曲和反向彎曲中的電阻變化

 

c）基于石墨烯的機械纖維在-280至800 rad/m的扭轉試驗中的電阻響應

 

d）基于可拉伸導電纖維的機械傳感器在向前和向后彎曲中的電阻響應

 

e）可拉伸壓阻式纖維壓力傳感器的示意圖和照片

 

f）根據施加的壓力，不同壓阻纖維的相對電阻變化

 

g）兩根扭曲的液態金屬芯纖維的照片，直徑850μm（頂部），拉伸至150％應變（中間），以及扭轉水平為1260 rad/m（底部）的額外扭曲

 

h）根據所施加的扭轉變形，可拉伸纖維扭轉傳感器的電容變化

 

Figure 8.適用于可穿戴應用的1D可拉伸熱敏器件

 

 

a）在1.2V的恒定電壓下，處于原始狀態，扭曲狀態，彎曲狀態和拉伸（50％應變）狀態的可拉伸加熱纖維的IR熱圖像

 

b）在0.9至6V的不同恒定直流電壓下，可拉伸加熱纖維隨時間變化的溫度曲線

 

c）在人體膝蓋位置的可穿戴和智能個人加熱系統應用的照片以及在打開設備之前和之后的IR熱圖像

 

d）Z-圖案化石墨烯光纖加熱器在0.9至4.7V的逐步電壓下的溫度分布

 

e）用拇指，傳感器，食指上的四個手指上的纖維熱傳感器編織的特定手套的照片用紅色標記突出顯示

 

f）由手套熱傳感器檢測到的相應溫度分布和右直方圖分別是由紅外攝像機（斜線）和可伸展光纖熱傳感器（空白）測量的精確溫度值

 

g）在相同的螺旋rGO可拉伸纖維中的電阻變化，拉伸至0-50％的應變并分別加熱至100℃，200℃和300℃的溫度

 

h）基于細長ZnO NWs的可拉伸光纖傳感器的照片

 

i）在0％和80％應變下可拉伸的基于纖維的傳感器的SEM圖像

 

j）可拉伸光纖溫度傳感器的歸一化電流變化與0％，25％，50％和100％應變下的溫度的關系

 

Figure 9.1D可拉伸儲能裝置

 

 

a）使用CNT/PANI復合纖維的纖維超級電容器的SEM圖像

 

b）同軸纖維超級電容器的纖維基板，左端側和中間側的內部CNT電極的SEM圖像

 

c）在0,25,50,75和100％的不同應變下同軸纖維超級電容器的照片

 

d）拉伸前后的彈性纖維電極的照片為100％，200％，300％，400％和500％

 

e）纖維超級電容器的恒電流充放電曲線，應變從0％增加到400％

 

f）基于纖維電極的雙螺旋構造（向上）的可拉伸纖維超級電容器的示意圖和在300％的應變下的纖維超級電容器的照片

 

g）光纖超級電容器在彎曲變形前后的照片，角度為180°

 

h）由兩個串聯電池組成的可拉伸串聯光纖超級電容器的示意圖

 

i）可拉伸纖維超級電容器在拉伸至100％之前和之后的循環伏安曲線

 

j）完整的全固態超級電容器的示意圖，其包括兩個對稱的線圈MnO2/CNT/尼龍纖維電極和凝膠電解質

 

k）在拉伸釋放循環期間電容保持率與施加的應變達到150％應變

 

l）在正常和彎曲狀態下為兩個LED供電的光纖超級電容器

 

Figure 10. 1D可拉伸能量收集設備

 

 

a）可拉伸纖維DSSC的示意圖和SEM圖像

 

b）分別在30％應變拉伸前后的可拉伸纖維DSSC

 

c）可拉伸纖維DSSC的能量轉換效率，用于在約20％的應變下重復拉伸變形50個循環

 

d）基于凝膠電解質的可拉伸纖維DSSC結構的示意圖

 

e）可拉伸纖維聚合物太陽能電池的照片，其應變從0％增加到80％

 

f）根據重復拉伸循環的包括纖維聚合物太陽能電池的可拉伸能量織物的能量轉換效率

 

g,h）可拉伸纖維鈣鈦礦太陽能電池的制造工藝和結構示意圖

 

i）SEM圖像顯示制造的可拉伸纖維鈣鈦礦太陽能電池的結構

 

j）可拉伸纖維壓電納米發電機的結構示意圖

 

k）描述基于同軸結構的可拉伸纖維摩擦納米發電機的示意圖

 

l）在可重復拉伸刺激下產生的可拉伸纖維摩擦納米發電機的開路電壓（VOC）

 

m）由纖維超級電容器和纖維太陽能電池組成的可伸縮光纖集成能量裝置的結構和工作原理的示意圖

 

n）在10％，20％，30％和40％的應變下拉伸之前和之后的可拉伸纖維集成能量裝置的光子充電和放電過程

 

【小結】

 

可以直接集成到日常紡織品或服裝中的可穿戴電子設備的研究已經爆炸性地發展，具有用于各種實際可穿戴設備具有的巨大潛力。這些可穿戴電子設備強烈要求一維電子設備，這些設備重量輕，可穿戴，高度靈活，可伸縮，并且適于在日常生活中使用時頻繁變形。為此，具有高拉伸性和電性能的一維電極的開發基本上是必不可少的。在此，這篇綜述總結了用于可穿戴和紡織電子設備的一維可拉伸電極的最新工藝，集中于代表性導電材料，具有高性能的一維可拉伸電極的制造技術，以及各種一維可拉伸電子器件的設計和應用。最后，討論了當前材料和設備在性能和科學理解方面的局限性和前景，應考慮進一步推進。

簡介

MTT（美信檢測）是一家從事材料及零部件品質檢驗、鑒定、認證及失效分析服務的第三方實驗室，網址：www.czyx888.com，聯系電話：400-850-4050。