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  柔性導(dǎo)電纖維作為一種新型功能材料，因其卓越的性能，在傳感器、能量存儲(chǔ)、電磁屏蔽和信號(hào)傳輸?shù)阮I(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。鎵基液態(tài)金屬（LM）具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、流動(dòng)性和自修復(fù)能力，成為制造高柔性導(dǎo)電纖維的理想材料。基于直接墨水書寫（DIW）技術(shù)的同軸3D打印，能夠?qū)煞N材料結(jié)合，精確制造具有芯鞘結(jié)構(gòu)的線條，并形成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，是制備同軸導(dǎo)電纖維的理想方法。然而，液態(tài)金屬的高表面張力和低粘度使其難以與同軸打印系統(tǒng)兼容，限制了打印過程中的流動(dòng)性、分辨率和打印速度，從而影響了打印效果和效率。

  為克服這一挑戰(zhàn)，廈門大學(xué)白華教授團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新的液態(tài)金屬流變學(xué)改性策略。團(tuán)隊(duì)通過將硬脂酸異丙醇溶液與液態(tài)金屬相結(jié)合，成功制備了化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的液態(tài)金屬有機(jī)高內(nèi)相乳液（SALM-HIPEG）。這種乳液不僅適用于獨(dú)立的直接墨水書寫（DIW）3D打印，還能作為內(nèi)芯油墨應(yīng)用于同軸3D打印。該研究整合了多種熱固性鞘層油墨，能夠制造出具有可調(diào)節(jié)芯直徑、高分辨率和快速3D打印能力的同軸導(dǎo)電纖維。這些高彈性纖維在可穿戴電子產(chǎn)品、電磁信號(hào)傳輸和無線電力傳輸系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

  相關(guān)成果以“Liquid metal organic high-internal-phase emulsion for coaxial 3D printing of elastic conductive fibers”發(fā)表于《Matter》期刊。

【液態(tài)金屬有機(jī)高內(nèi)相乳液的制備及性能】

  研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了非水性的高內(nèi)相乳液系統(tǒng)。該系統(tǒng)以異丙醇為連續(xù)相，硬脂酸為乳化劑，成功制備了液態(tài)金屬體積分?jǐn)?shù)高達(dá)85%的有機(jī)高內(nèi)相乳液。與傳統(tǒng)水基乳液不同，異丙醇連續(xù)相不與液態(tài)金屬發(fā)生反應(yīng)，SALM-HIPE具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性。在乳液中，硬脂酸不僅作為分散劑，還在液滴表面形成潤(rùn)滑層，有效減少摩擦，防止液滴間的聚結(jié)和破乳現(xiàn)象，從而提高了乳液的穩(wěn)定性和流動(dòng)性。SALM-HIPE表現(xiàn)出剪切稀化行為，在低剪切條件下，油墨表現(xiàn)為典型的粘彈性固體，儲(chǔ)能模量（G''''）約為4×10⁴ Pa，且具有優(yōu)異的觸變性，確保了高形狀保真度和結(jié)構(gòu)精度。

圖1：SALM-HIPE的制備及性能

【液態(tài)金屬有機(jī)高內(nèi)相乳液的3D打印和電激活】

  SALM-HIPE能夠快速保持打印線條的形狀，成為適用于高分辨率和縱橫比的DIW 3D打印油墨，并成功打印出精細(xì)的3D結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)中，異丙醇作為連續(xù)相迅速蒸發(fā)，顯著降低了電激活的閾值。在外部機(jī)械刺激（如拉伸、扭曲或彎曲）下，液滴聚結(jié)并激活電導(dǎo)率。SALM-HIPE能夠在平面上打印連續(xù)的導(dǎo)電路徑，進(jìn)一步證明了其在柔性電子設(shè)備設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用潛力。

圖2： SALM-HIPE的3D打印和電激活

【液態(tài)金屬有機(jī)高內(nèi)相乳液在同軸打印中的流變行為】

  SALM-HIPE為同軸導(dǎo)電纖維的制造提供了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。打印過程中，SALM-HIPE通過同軸噴嘴的內(nèi)通道擠出，而功能性熱固性鞘層油墨通過外通道輸送，形成以SALM-HIPE為導(dǎo)電內(nèi)芯的同軸結(jié)構(gòu)纖維。SALM-HIPE的塑性流動(dòng)行為實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的內(nèi)芯流動(dòng)，并與多種低粘度護(hù)套材料兼容，使得打印速度可達(dá)到30 mm/s。通過調(diào)整內(nèi)芯和鞘層材料的速度比，可以控制纖維的內(nèi)外徑，從而滿足不同的功能需求。基于體積守恒，開發(fā)了預(yù)測(cè)模型，驗(yàn)證了通過調(diào)整擠出速度可以實(shí)現(xiàn)寬范圍的纖維尺寸調(diào)節(jié)。該模型提供了靈活的工藝窗口，以滿足電阻調(diào)制和機(jī)械增強(qiáng)等不同功能需求。

圖3：SALM-HIPE在同軸打印中的流變行為

【彈性導(dǎo)電纖維的制備及其性能】

  在研究中，使用SE 1700/PDMS 184復(fù)合材料作為鞘材料，制備了不同芯徑（0.2-0.7 mm）的纖維，所有纖維的斷裂強(qiáng)度超過5 MPa，伸長(zhǎng)率大于200%。纖維的電阻隨著芯直徑的增加而降低，但電導(dǎo)率保持穩(wěn)定，達(dá)到6×10⁵ S m^?1。進(jìn)一步研究表明，纖維在機(jī)械變形下的電響應(yīng)穩(wěn)定，電阻隨應(yīng)變?cè)黾樱以诟邞?yīng)變下具有優(yōu)異的彈性和抗疲勞性能，纖維可連續(xù)印刷超過10 m，并成功驅(qū)動(dòng)LED電路。

圖4：彈性導(dǎo)電纖維的制備及其性能

【基于彈性導(dǎo)電纖維的3D打印集成結(jié)構(gòu)】

  同軸3D打印技術(shù)不僅能制造單一的彈性導(dǎo)電纖維，還能精確構(gòu)建由導(dǎo)電纖維組成的復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)。打印的可拉伸導(dǎo)電交織網(wǎng)絡(luò)在3 V電壓下成功驅(qū)動(dòng)LED，且在水中和洗滌劑中的反復(fù)拉伸循環(huán)測(cè)試未出現(xiàn)機(jī)械故障或?qū)щ娦韵陆担C明其在惡劣環(huán)境中的堅(jiān)固性和可靠性。打印的可拉伸線圈在不同磁體速度下產(chǎn)生有效的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（EMF），并能通過壓縮產(chǎn)生不同的電信號(hào)，展現(xiàn)出在電磁能量收集和應(yīng)變傳感中的潛力。結(jié)合其在無線能量傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用，打印的彈性線圈能夠通過無線方式收集能量為LED供電，證明了其在復(fù)雜和動(dòng)態(tài)環(huán)境中的適應(yīng)性和電氣可靠性。這些結(jié)果突顯了該技術(shù)在智能紡織品、可穿戴電子和無線電力傳輸系統(tǒng)中的巨大應(yīng)用潛力。

圖5：基于彈性導(dǎo)電纖維的3D打印集成結(jié)構(gòu)

  原文鏈接：Liquid metal organic high-internal-phase emulsion for coaxial 3D printing of elastic conductive fibers - ScienceDirect

  https://www.cell.com/matter/abstract/S2590-2385(25)00559-4