（文章來(lái)源：材料牛）

 

【引言】

 

在過(guò)去的幾十年中，電子設(shè)備變得很小，這提高了它們的便攜性。電子設(shè)備的尺寸變小和便攜性增加的這些趨勢(shì)導(dǎo)致可穿戴電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，例如電子皮膚，智能手表和運(yùn)動(dòng)腕帶。在各種類型的可穿戴電子產(chǎn)品中，結(jié)合傳統(tǒng)紡織品和電子設(shè)備的紡織電子產(chǎn)品是一種有吸引力的選擇。因此，在過(guò)去幾十年中，科學(xué)家已經(jīng)做出許多努力來(lái)開發(fā)用于可穿戴人機(jī)界面，生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用和智能運(yùn)動(dòng)服的各種紡織電子設(shè)備。在這方面，一維形式的可拉伸和可穿戴電子設(shè)備可以直接集成到日常服裝中，對(duì)于未來(lái)的可穿戴電子設(shè)備而言是非常有前途的。此外，纖維結(jié)構(gòu)的層級(jí)特性使得一維電子設(shè)備和系統(tǒng)非常適用于先進(jìn)的可穿戴電子設(shè)備。包括1D電子設(shè)備的1D組件還具有適合于可穿戴電子設(shè)備的獨(dú)特特性，例如柔軟性，可拉伸性，透氣性和對(duì)損壞的高耐受性。此外，在日常生活中的自然運(yùn)動(dòng)期間，衣服的某些部分經(jīng)常被拉伸和變形，從而增加了1D電子設(shè)備的可拉伸性的重要性。盡管許多現(xiàn)有衣服僅通過(guò)特定織物結(jié)構(gòu)（例如機(jī)織或針織結(jié)構(gòu)）通過(guò)剛性紗線獲得一定的拉伸性，但由這種織物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拉伸性不足以覆蓋特定應(yīng)用中所需的高拉伸性。為了實(shí)現(xiàn)一維可拉伸電子器件和系統(tǒng)，具有高導(dǎo)電性和拉伸性的一維可拉伸電極（例如導(dǎo)電紗線或細(xì)絲）的開發(fā)是十分必要的。在這方面，基于紡織技術(shù)，電子學(xué)和納米技術(shù)的融合，最近在開發(fā)各種高性能1D可拉伸導(dǎo)電紗線方面的進(jìn)展是相當(dāng)顯著的。雖然與現(xiàn)有的2D可拉伸電子設(shè)備相比，一維可拉伸電子設(shè)備的成就仍然不顯著，但由于這種一維可伸縮電子技術(shù)的潛在應(yīng)用，依然吸引了大量的研究關(guān)注。

 

【成果簡(jiǎn)介】

 

近日，韓國(guó)延世大學(xué)Taeyoon Lee教授總結(jié)了先進(jìn)可穿戴電子產(chǎn)品的一維可伸縮電子產(chǎn)品的現(xiàn)狀和最新成果，該產(chǎn)品有望成為醫(yī)療保健，環(huán)境監(jiān)測(cè)，人機(jī)界面，能源轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域的主要技術(shù)之一。本綜述分為大致三個(gè)部分，回顧了一維可拉伸電極的各種導(dǎo)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(jìn)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(yōu)點(diǎn)和局限性。用于一維可拉伸電極的常規(guī)和先進(jìn)制造技術(shù)在第二部分中詳細(xì)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(shè)備：例如，機(jī)械傳感器，環(huán)境傳感器，光纖加熱器以及能量收集和存儲(chǔ)設(shè)備。本綜述的主要目的是提供對(duì)近年來(lái)開發(fā)的一維可拉伸電極及其應(yīng)用的廣泛概述和理解。盡管到目前為止已經(jīng)發(fā)表了許多關(guān)于2D平面可拉伸電子設(shè)備的綜述以及一些關(guān)于基于1D光纖的電子設(shè)備的綜述，但目前還沒(méi)有綜述主要關(guān)注具有一維結(jié)構(gòu)的電子設(shè)備。這篇綜述論文將有助于擴(kuò)大研究領(lǐng)域，幫助新研究人員進(jìn)入這一領(lǐng)域。此外，基于本文對(duì)該領(lǐng)域相關(guān)研究，局限性和前景的系統(tǒng)總結(jié)，預(yù)計(jì)許多研究人員將有效地利用它來(lái)推進(jìn)研究領(lǐng)域的發(fā)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(fā)表在Adv. Mater.上。

 

【圖文導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(shí)間下用rGO（PDCY-RGO）進(jìn)行等離子體處理的雙涂層紗線的電導(dǎo)率

 

d）石墨烯基導(dǎo)電纖維的制造過(guò)程示意圖

 

e）制造的石墨烯基導(dǎo)電纖維的光學(xué)圖像

 

f）具有均勻滾動(dòng)結(jié)構(gòu)的單個(gè)石墨烯纖維的SEM圖像

 

g）基于rGO的導(dǎo)電纖維的側(cè)視SEM圖像

 

h）石墨烯/ PVA（G@PVA）纖維的制造過(guò)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(dǎo)電纖維的碎裂

 

k）基于SWCNT，MWCNT及其混合物的各種可拉伸導(dǎo)電纖維的電導(dǎo)率比較

 

1-n）FWCNT/PMIA可拉伸導(dǎo)電纖維，F(xiàn)WCNT的TEM圖像和FWCNT/PMIA纖維的光學(xué)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(dǎo)電纖維的橫截面SEM圖像

 

b）基于表面改性的AgNW和PU復(fù)合材料的可拉伸導(dǎo)電纖維的照片

 

c）反射模式下光纖的光學(xué)顯微鏡圖像

 

d）復(fù)合纖維的橫截面SEM圖像

 

e）AgNW/PU可拉伸導(dǎo)電纖維的制造過(guò)程示意圖

 

fg）制造的AgNW / PU可拉伸導(dǎo)電纖維的照片和SEM圖像

 

h）拉伸下的可拉伸導(dǎo)電纖維中AgNW和AgNP的變化的示意圖

 

i）在前和50％應(yīng)變下，沒(méi)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(dǎo)電纖維表面的SEM圖像

 

k）Ag納米花濃度對(duì)可拉伸導(dǎo)電纖維的拉伸性和導(dǎo)電性的影響

 

l）基于CuNW的可拉伸導(dǎo)電纖維的分層結(jié)構(gòu)的示意圖

 

m）金膜在纖維上生長(zhǎng)之前和之后的AuNW/SEBS纖維的光學(xué)顯微鏡圖像

 

n）金膜生長(zhǎng)后的截面SEM圖像和AuNW/SEBS纖維的相應(yīng)EDX映射圖像

 

o）基于LM的超伸展導(dǎo)電纖維的照片

 

Figure 3.具有導(dǎo)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(dǎo)電纖維的電導(dǎo)率-應(yīng)變關(guān)系

 

b）可拉伸導(dǎo)電纖維的同軸濕紡工藝的示意圖

 

c）制造的同軸可拉伸導(dǎo)電纖維的照片

 

d）同軸可拉伸導(dǎo)電纖維從5％拉伸至250％應(yīng)變時(shí)的照片

 

e）制造AuNW/SEBS可拉伸導(dǎo)電纖維的干紡工藝示意圖

 

f）在纖維表面上形成AuNWs連續(xù)金膜的示意圖

 

g）導(dǎo)電-應(yīng)變曲線對(duì)可拉伸導(dǎo)電纖維的預(yù)應(yīng)變水平的影響

 

h）通過(guò)干紡法制造的1.1米長(zhǎng)的可拉伸導(dǎo)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(dǎo)電纖維的相對(duì)電阻變化和相對(duì)導(dǎo)電率變化

 

k）可拉伸導(dǎo)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(yīng)力-應(yīng)變曲線

 

Figure 4.導(dǎo)電材料的涂布，物理和化學(xué)性能

 

 

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

 

b）可拉伸導(dǎo)電纖維的電阻與浸涂的數(shù)量

 

c）基于導(dǎo)電材料的浸涂可拉伸導(dǎo)電纖維的制造過(guò)程示意圖

 

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

 

e）制造的可拉伸導(dǎo)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(guò)化學(xué)還原過(guò)程制造導(dǎo)電纖維的示意圖

 

h）根據(jù)Ag離子的吸收和還原循環(huán)，導(dǎo)電纖維的電阻變化

 

i）通過(guò)化學(xué)還原過(guò)程的AgNP基可拉伸導(dǎo)電纖維的制造過(guò)程的示意圖

 

j）拉伸下的可拉伸導(dǎo)電纖維表面的SEM圖像

 

k）在各種條件下可拉伸導(dǎo)電纖維的導(dǎo)電率和使用根據(jù)所應(yīng)用的應(yīng)變的經(jīng)典3D滲濾理論計(jì)算的纖維導(dǎo)電率

 

Figure 5.制造一維可拉伸電極的方法

 

 

a）在自然松弛狀態(tài)下，3cm長(zhǎng)的初生CNTs基可拉伸導(dǎo)電纖維的照片及其相應(yīng)的更高放大率SEM圖像

 

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

 

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

 

d）拉伸和釋放過(guò)程中可拉伸導(dǎo)電纖維的電阻，應(yīng)變?yōu)?00％

 

e）基于螺旋纏繞的纖維電極的可拉伸纖維納米發(fā)電機(jī)的示意圖

 

f）螺旋纏繞的Cu線電極在釋放狀態(tài)和拉伸狀態(tài)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(jié)構(gòu)的示意圖

 

h）基于MWCNT層的彎曲結(jié)構(gòu)制造可拉伸導(dǎo)電纖維的示意圖

 

i）基于MWCNT層的2D分級(jí)屈曲的可拉伸導(dǎo)電纖維的表面

 

j）根據(jù)所施加的應(yīng)變，基于彎曲MWCNT電極的可拉伸導(dǎo)電纖維的電阻響應(yīng)

 

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(gè)對(duì)稱的彎曲CNT電極

 

1,m）SEM圖像顯示了基于扭曲結(jié)構(gòu)和MWCNT層的2D分級(jí)屈曲的可拉伸導(dǎo)電纖維

 

Figure 6.1D可拉伸應(yīng)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(dǎo)電纖維嵌入織物的光學(xué)圖像

 

c）AgNW/PU基可拉伸導(dǎo)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(dǎo)電纖維相對(duì)于增加的應(yīng)變的電導(dǎo)率變化

 

f）使用具有AgNW-AgNP復(fù)合物的可拉伸導(dǎo)電纖維開發(fā)的智能手套照片

 

g）用智能手套檢測(cè)英文字母“Y”的照片

 

h）智能手套中的手指運(yùn)動(dòng)檢測(cè)

 

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

 

j）基于五指節(jié)點(diǎn)上的基于光纖的應(yīng)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(jī)器人的照片

 

l）人工膀胱系統(tǒng)的照片及其在豬膀胱上使用基于纖維的應(yīng)變傳感器的操作

 

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

 

n）基于CNT導(dǎo)電纖維的應(yīng)變傳感器的電容對(duì)拉伸和拉伸釋放期間的應(yīng)變和位移的依賴性，其中藍(lán)線是數(shù)據(jù)的線性擬合

 

o）電容軟應(yīng)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(yīng)變傳感器的照片

 

q）電容光纖應(yīng)變傳感器的模型預(yù)測(cè)，傳感器電阻和總電容高達(dá)250％應(yīng)變

 

Figure 7.1D可拉伸壓力，彎曲和扭轉(zhuǎn)傳感器

 

 

a）可拉伸和敏感的石墨烯基纖維機(jī)械傳感器的制造過(guò)程示意圖

 

b）基于纖維的機(jī)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(jī)械纖維在-280至800 rad/m的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中的電阻響應(yīng)

 

d）基于可拉伸導(dǎo)電纖維的機(jī)械傳感器在向前和向后彎曲中的電阻響應(yīng)

 

e）可拉伸壓阻式纖維壓力傳感器的示意圖和照片

 

f）根據(jù)施加的壓力，不同壓阻纖維的相對(duì)電阻變化

 

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

 

h）根據(jù)所施加的扭轉(zhuǎn)變形，可拉伸纖維扭轉(zhuǎn)傳感器的電容變化

 

Figure 8.適用于可穿戴應(yīng)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(tài)，扭曲狀態(tài)，彎曲狀態(tài)和拉伸（50％應(yīng)變）狀態(tài)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(shí)間變化的溫度曲線

 

c）在人體膝蓋位置的可穿戴和智能個(gè)人加熱系統(tǒng)應(yīng)用的照片以及在打開設(shè)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(gè)手指上的纖維熱傳感器編織的特定手套的照片用紅色標(biāo)記突出顯示

 

f）由手套熱傳感器檢測(cè)到的相應(yīng)溫度分布和右直方圖分別是由紅外攝像機(jī)（斜線）和可伸展光纖熱傳感器（空白）測(cè)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(yīng)變并分別加熱至100℃，200℃和300℃的溫度

 

h）基于細(xì)長(zhǎng)ZnO NWs的可拉伸光纖傳感器的照片

 

i）在0％和80％應(yīng)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(yīng)變下的溫度的關(guān)系

 

Figure 9.1D可拉伸儲(chǔ)能裝置

 

 

a）使用CNT/PANI復(fù)合纖維的纖維超級(jí)電容器的SEM圖像

 

b）同軸纖維超級(jí)電容器的纖維基板，左端側(cè)和中間側(cè)的內(nèi)部CNT電極的SEM圖像

 

c）在0,25,50,75和100％的不同應(yīng)變下同軸纖維超級(jí)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(jí)電容器的恒電流充放電曲線，應(yīng)變從0％增加到400％

 

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

 

g）光纖超級(jí)電容器在彎曲變形前后的照片，角度為180°

 

h）由兩個(gè)串聯(lián)電池組成的可拉伸串聯(lián)光纖超級(jí)電容器的示意圖

 

i）可拉伸纖維超級(jí)電容器在拉伸至100％之前和之后的循環(huán)伏安曲線

 

j）完整的全固態(tài)超級(jí)電容器的示意圖，其包括兩個(gè)對(duì)稱的線圈MnO2/CNT/尼龍纖維電極和凝膠電解質(zhì)

 

k）在拉伸釋放循環(huán)期間電容保持率與施加的應(yīng)變達(dá)到150％應(yīng)變

 

l）在正常和彎曲狀態(tài)下為兩個(gè)LED供電的光纖超級(jí)電容器

 

Figure 10. 1D可拉伸能量收集設(shè)備

 

 

a）可拉伸纖維DSSC的示意圖和SEM圖像

 

b）分別在30％應(yīng)變拉伸前后的可拉伸纖維DSSC

 

c）可拉伸纖維DSSC的能量轉(zhuǎn)換效率，用于在約20％的應(yīng)變下重復(fù)拉伸變形50個(gè)循環(huán)

 

d）基于凝膠電解質(zhì)的可拉伸纖維DSSC結(jié)構(gòu)的示意圖

 

e）可拉伸纖維聚合物太陽(yáng)能電池的照片，其應(yīng)變從0％增加到80％

 

f）根據(jù)重復(fù)拉伸循環(huán)的包括纖維聚合物太陽(yáng)能電池的可拉伸能量織物的能量轉(zhuǎn)換效率

 

g,h）可拉伸纖維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制造工藝和結(jié)構(gòu)示意圖

 

i）SEM圖像顯示制造的可拉伸纖維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)

 

j）可拉伸纖維壓電納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

 

k）描述基于同軸結(jié)構(gòu)的可拉伸纖維摩擦納米發(fā)電機(jī)的示意圖

 

l）在可重復(fù)拉伸刺激下產(chǎn)生的可拉伸纖維摩擦納米發(fā)電機(jī)的開路電壓（VOC）

 

m）由纖維超級(jí)電容器和纖維太陽(yáng)能電池組成的可伸縮光纖集成能量裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理的示意圖

 

n）在10％，20％，30％和40％的應(yīng)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(guò)程

 

【小結(jié)】

 

可以直接集成到日常紡織品或服裝中的可穿戴電子設(shè)備的研究已經(jīng)爆炸性地發(fā)展，具有用于各種實(shí)際可穿戴設(shè)備具有的巨大潛力。這些可穿戴電子設(shè)備強(qiáng)烈要求一維電子設(shè)備，這些設(shè)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(shí)頻繁變形。為此，具有高拉伸性和電性能的一維電極的開發(fā)基本上是必不可少的。在此，這篇綜述總結(jié)了用于可穿戴和紡織電子設(shè)備的一維可拉伸電極的最新工藝，集中于代表性導(dǎo)電材料，具有高性能的一維可拉伸電極的制造技術(shù)，以及各種一維可拉伸電子器件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。最后，討論了當(dāng)前材料和設(shè)備在性能和科學(xué)理解方面的局限性和前景，應(yīng)考慮進(jìn)一步推進(jìn)。

簡(jiǎn)介

MTT（美信檢測(cè)）是一家從事材料及零部件品質(zhì)檢驗(yàn)、鑒定、認(rèn)證及失效分析服務(wù)的第三方實(shí)驗(yàn)室，網(wǎng)址：www.d374.com，聯(lián)系電話：400-850-4050。