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    東南大學張久洋教授團隊:可編程液態金屬高分子纖維
    2020-06-12  來源:高分子科技

      高分子導電纖維由于具有輕質和柔軟的特點,表現出對各種形變的適應性,如變形、彎曲和拉伸,受到了電子領域的廣泛關注。重要的是,將導電纖維編織成柔性和可變形的紡織品非常方便,可用于實際的電氣應用。因此,許多研究都集中在提高纖維性能或將新功能引入導電纖維中。在不同的高分子導電纖維中,室溫液態金屬(LM)纖維由于其金屬導電性和顯著的室溫流動性而受到人們的特別關注。例如,將液態金屬注入高分子彈性管中或涂覆與高分子纖維表面上,可以形成高度可拉伸的LM高分子纖維,并成功地用作形狀記憶器件、高性能電阻器等,電容式的傳感器。盡管這些優秀的研究表明了液態金屬高分子纖維的廣闊前景,目前的LM纖維僅具有與傳統導電高分子纖維相似的功能。與由碳、固體金屬和共軛聚合物等導電填料制備的導電纖維相比,液態金屬的特性并沒有被充分利用來構建具有獨特功能的導電纖維。



      近日,東南大學化學化工學院張久洋教授課題組創造性的將液態金屬梯度分布在高分子基體中,得到了一種獨特的可通過溫度控制形狀和導電性的纖維。這種控制性(編程性)是可逆的。如圖1a所示,LM高分子纖維的形狀和電阻可以通過熱能可逆地調節。在加熱過程中,LM高分子纖維顯示出沿軸向從絕緣體到具有程序導電性的導體的轉變。當冷卻到液態金屬熔融溫度以下時,轉變發生逆轉,LM纖維成為絕緣材料。形變和電躍遷的可逆過程都是高度可重復的。這些獨特的可編程特性使LM纖維可應用于智能電子領域。程序化螺旋結構的LM高分子纖維具有良好的力學性能,可以作為智能應變介導導體。LM高分子纖維還可作為溫度響應的電子紡織品和月球車等高科技設備中的柔性溫度電子開關。


     

    圖1:可編程的液態金屬高分子纖維的(a)熱控制導電與形狀的過程;(b)制備示意圖;(c-e)外觀和內部結構表征。


    研究者通過簡單的研磨將液態金屬與PDMS混勻后用注射器注入熱縮管中,室溫下靜置使液態金屬呈梯度分布。然后加熱固化再去除外面的熱縮管即可得到熱可編程的液態金屬高分子纖維。

     

     

    圖2:液態金屬高分子纖維在冷卻-加熱過程中彎曲程度的變化(左側)以及預拉伸的液態金屬(LM)高分子纖維(Strain:50%)在冷卻-加熱過程中螺旋程度的變化(右側)。


      如圖2左側所示,制備的液態金屬高分子纖維冷卻變彎后加熱又會變直。冷卻后液態金屬變成固態模量增大,由于梯度分布的緣故導致纖維兩側收縮率不對稱,所以纖維會向高分子富集的一側彎曲。當加熱時液態金屬融化模量減小,纖維兩側的不對稱性大幅降低,所以纖維又恢復伸直狀態。進一步的,如圖2右側所示,將液態金屬梯度高分子纖維施加一定的初始應變后冷卻。當加熱時LM纖維會先螺旋,繼續加熱纖維會解螺旋并恢復原長。 


     

    圖3:液態金屬(LM)高分子纖維代替機器車中的一段導線。


     

    圖4. 配有液態金屬高分子纖維的月球車工作模式(背面休息,正面工作)。


      如圖3所示,液態金屬的纖維可代替機器車中的一段導線。初始狀態下由于纖維是冷卻的只能短距離導電,電源被切斷所以機器車不運動;加熱后LM纖維變成長距離導電,電源被接通此時機器車立即工作。這使得液態金屬高分子纖維在將來可以用于太空車(圖4),例如月球車。當月球車在月亮背面時,由于溫度較低,LM纖維變成絕緣體不導電,電源被切斷,太空車停止工作。當月球車在月亮正面時,由于溫度較高,LM纖維變成導體,電源被連接,太空車立即工作。


     

    圖5. 螺旋的液態金屬(LM)高分子纖維拉伸過程中絕緣體和導體之間的轉換。


      如圖5所示,根據圖2可制備具有螺旋結構的液態金屬高分子,螺旋后的液態金屬高分子纖維在拉伸的過程中可以實現絕緣體和導體之間的快速裝換。


     

    圖6. 液態金屬的高分子纖維冷卻-加熱絕緣與導電轉變機理。


      在上述研究現象上,團隊探討了液態金屬的高分子纖維在冷卻加熱下導電轉變的機理。初始狀態下,液態金屬高分子纖維為處于導電態,但冷卻后會失去導電性變為絕緣態。然而在冷卻時對高分子纖維施加一定的外力使其無法變形彎曲,此時液態金屬高分子纖維仍能維持高導電狀態(圖6)。這表明冷卻下,纖維的彎曲破壞了冷卻時液態金屬的連接,從而使得材料絕緣。冷卻液態金屬至固態以及材料的不對稱彎曲是絕緣與導電轉變的關鍵原因。本工作表明,液態金屬高分子纖維可以作為新一代智能導電材料,具有廣闊的應用前景。


      以上研究成果近期以“Liquid Metal Gradient Fibers with Reversible Thermal Programmability”為題發表于《Materials Horizons》(DOI:10.1039/D0MH00280A)。論文第一作者為東南大學化學化工學院19級博士生劉懷志,通訊作者為東南大學化學化工學院張久洋教授。本研究工作得到了國家自然科學基金(21504013,21774020)的支持。


      論文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2020/MH/D0MH00280A#!divAbstract

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