由于紡織電子產品通常佩戴在人體上，它們不可避免地會因人體運動產生的大量變形而被拉伸或壓縮。因此，需要紡織電子產品在經歷不規則和重復的應變變形時能夠實現應變不變的性能。這種應變不變的紡織電子產品需要先進的纖維，這些纖維同時具有高功能和作為織物材料的極端堅固性。目前基于無機基質的合成納米復合纖維具有顯著的功能，但往往存在強度低和抗裂紋耐受性差的問題；因此，它們不能承受大應變或循環應變載荷。在這里，提出了一種高性能多功能納米復合纖維的設計，該纖維在機械和電氣方面都非常堅固，這是通過將碳化鈦 (MXene) 納米片與滑環聚輪烷交聯形成內部機械互鎖網絡來實現的。這種無機基質納米復合纖維具有明顯的應變硬化機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%)。它在循環應變加載后保留了 100% 的延展性。此外，納米復合纖維的高電導率（>1.1×10
5 S/m）和電化學性能（>360 F/cm
3）在纖維經受廣泛（> 25%應變）和長期-后仍能很好地保持。長期重復（10,000 次循環）尺寸變化。這種卓越的堅固性允許將納米復合纖維制造成各種堅固的可穿戴設備，例如具有應變不可改變傳感性能的基于紡織品的機電傳感器和在 10,000 次應變加載循環中具有不變電化學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) 機械互鎖結構的功能示意圖，允許 PEG 主鏈拉伸，α-CD 環在聚輪烷中沿 PEG 主鏈滑動，以及 MXene 納米片在拉伸應變下沿軸向相互滑動。 (b) 機械互鎖結構中 MXene 納米片和 α-CD 環之間形成的共價鍵和配位鍵的交聯點。 (c) 由機械互鎖結構實現的不同應變狀態下 cMP 纖維結構穩健機制的 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 區域和 (e) C 1s 區域中的 cMP 和 MP 纖維的 XPS 光譜。
Fig 3. cMP 纖維的機械性能。 (a) MXene、cM、MP 和 cMP 纖維的典型應力-應變曲線。只有 cMP 納米復合纖維的曲線顯示出應變硬化行為。 CMP 纖維在 (b) 未拉伸狀態和 (c) 15% 拉伸應變下的 (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 倍的負載并以 200 rpm 的速度旋轉的照片。 (g) 緊密打結的 cMP 纖維的 SEM 圖像。(h) 照片顯示使用針織機將 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 光纖的機械和電氣穩健性。在 (a) 5–6%、(b) 10–11% 和 (c) 15–16% 之間的 1000 個應變加載循環后測量的 cMP 纖維的應力-應變曲線。 (d) 電導率和電阻隨 cMP 纖維的拉伸應變而變化。 (e) 純 MXene 和 cMP 纖維在 20 ℃和 RH 為 85% 的條件下儲存 30 天后的電導保留百分比。 (f) 分別重復 2-3%、10-11%、15-16% 和 20-21% 應變 10,000 次拉伸釋放循環后 cMP 纖維的電導保留百分比。在 (g) 10–11%、(h) 15–16% 和 (i) 20–21% 應變之間，cMP 纖維在 10,000 個拉伸釋放周期內的相對電阻變化。
Fig 5. 應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 1）、向左彎曲 15
o（狀態 2）和向左彎曲 30
o（狀態 3）以及兩種特定輸出波形信號相應手腕彎曲狀態下的脈沖周期。 (d) 從 (c) 的不同手腕彎曲狀態下連續脈搏監測獲得的 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下：放松（狀態1）、向前彎曲（狀態2）和向后彎曲（狀態3）以及相應的兩個脈沖周期的特定輸出波形信號手腕彎曲狀態。 (f) 從 (e) 的不同手腕運動狀態下連續脈搏監測獲得的 UT、RWTT、LVET、PPT、PWV 和 SI 值。每個設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健電化學性能。 (a) cMP 和純 MXene 纖維的電化學阻抗譜 (EIS) 數據。 (b) cMP 纖維在各種應變下的初始和拉伸狀態下的電化學阻抗譜 (EIS) 數據。 (c) cMP 纖維電極的循環伏安法 (CV) 曲線（從 5 到 100 mV/s）。 (d) cMP 纖維電極循環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。 (e) cMP 纖維電極的電容保持率與拉伸應變的關系。插圖顯示了 cMP 纖維電極在各種應變下處于初始和拉伸狀態時 20 mV/s 的 CV 曲線。 (f) cMP 纖維電極在初始狀態下和 10,000 次拉伸循環后分別在 5–6%、10–11%、15–16% 和 20–21% 的應變之間的 CV 曲線為 20 mV/s。 (g) 在分別為 5–6%、10–11%、15–16% 和 20–21% 的應變之間進行 10000 次拉伸循環后，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）在應變分別為 5–6%、10–11%、15–16% 和 20–21% 之間進行 10000 次拉伸循環后的電極。 (i) cMP FSC 在初始狀態和 10000 次拉伸循環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%，與最先進的基于纖維的超級電容器。
相關研究工作由南開大學Jiajie Liang課題組于2023年在線發表在《Advanced Materials》期刊上，原文：Extremely Robust and Multifunctional Nanocomposite Fibers for Strain-Unperturbed Textile Electronics。
轉自《石墨烯研究》公眾號
