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  人類從未停止對海洋的探索。目前，科研、軍事和娛樂等多種領域對水下活動裝備具有廣泛需求。隨著防水型電子器件的快速發展，用于個人身體監測及防護的水下穿戴系統引起了研究者的廣泛興趣。對個人而言，水下作業通常伴隨著大幅度肢體運動，且長時間暴露于水下低溫環境可能誘發的失溫癥狀時刻威脅生命安全。因此，亟需開發用于水下的、適應大形變監測的集成式多功能人體防護可穿戴設備。

  基于可拉伸基底的柔性電子器件適用于形變范圍較大的智能可穿戴設備。這些柔性電子器件往往通過高模量的導電功能組分（金屬基納米粒子，碳基超材料，導電聚合物等）與低模量的基體（聚氨酯、硅橡膠、水凝膠）組裝得到，這種模量差異會導致電子器件在大形變下會產生不可逆裂隙，從而限制傳感性能，同時也會造成接觸電阻和電路永久性失效。鎵基液態金屬是一種在柔性電子領域逐漸興起的導電材料，可在保持金屬級電導率的同時保持流動性。這種獨特的低模量流體特性可以很好地協同彈性材料的同步變形，使其成為可用于大形變柔性電子器件的理想材料。相比平面狀液態金屬基柔性電子器件，線型的中空纖維液態金屬器件更適用于監測軸向拉伸和徑向擠壓行為，其在受力變形和回復過程中的可逆行為對可調諧傳感性能來說至關重要，目前卻少有提及，特別是其內部構效關系的研究仍是一片空白。

  鑒于此，青島大學曲麗君、田明偉教授團隊與深圳大學張學記教授團隊合作，采用液態金屬和聚氨酯這種“雙低模”組合體系制備了一種可逆超拉伸導電纖維（LM@PHF），這種纖維具有典型的芯—鞘結構，得益于聚氨酯的本征拒水性，內部液態金屬芯層被很好的封裝，可避免水下使用造成的短路現象。利用同軸濕法紡絲工藝理論體系對芯—鞘流道的紡絲參數進行調控，其內部結構與力學性能、電學性能、熱學性能的構效關系被進一步研究。對照條件下，內徑越大的纖維斷裂伸長越大，軸向傳感靈敏度越低，電熱性能越好；極限形變下，徑向形變較軸向形變更易用于傳感監測，且導電通路在斷路后因液態金屬重新團聚具有良好的可逆性，這為纖維性能精準調控提供了實驗基礎。纖維通過調控可分別實現導電（~0.05 Ω·cm^-1）、拉伸傳感（~600%、30 ms）、壓力傳感（~30 MPa、30 ms）和電熱（1.5 W, ~50 °C）等功能。

  為展現該纖維的構型靈活性及適應性，該工作分別利用機織、針織、編織等常規紡織工藝，根據功能需求制備了不同結構的電子織物，最終組裝成一套水下智能手套系統，利用該纖維的防水性、大形變下的傳感性、獨特的可恢復性及低功耗電熱性能集成了運動感知、危險預警和熱學防護的等多種功能，充分展示了其在水下場景的潛力。這一研究成果已經在國際知名期刊Chemical Engineering Journal（影響因子IF 13）以“Underwater Sensing and Warming E-textiles with Reversible Liquid Metal Electronics”為題公開發表 （DOI: 10.1016/j.cej.2022.135382），博士研究生齊祥君、趙洪濤為第一作者，張學記教授、田明偉教授、曲麗君教授為通訊作者。

圖1 可逆性液態金屬電子織物的制備及應用。

【本文要點】

  要點一：制備了結構可控的LM@PHF芯—鞘型纖維

圖2 纖維成型機理及基本性能表征。

  要點二：研究LM@PHF纖維內部結構與性能間構效關系

圖3 不同內部結構下LM@PHF纖維軸向拉伸和徑向擠壓下的傳感性能對比。

  要點三：研究極限形變下LM@PHF的導電通路可逆性

圖4 極限形變下的可逆導電及柔性開關應用。

  要點四：研究不同內部結構對電熱性能的影響

  內徑越大，纖維導電性能越好，相應地電熱性能越好，可實現低功率水下電加熱。

圖5 不同內部結構下LM@PHF纖維電熱性能及柔性電加熱器應用。

  要點五：通過多種紡織工藝展現構型靈活性及適應性，用于水下應用

圖6 集成式手套系統構筑以及水下應用。

  【文章鏈接】

  Underwater Sensing and Warming E-textiles with Reversible Liquid Metal Electronics

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135382

【通訊作者簡介】

  曲麗君 教授

  博士生導師，山東省有突出貢獻的中青年專家，青島市拔尖人才。現任青島大學智能可穿戴技術研究中心執行主任，中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟、中國石墨烯改性纖維及應用開發產業發展聯盟理事，多項SCI期刊審稿人。主持國家973計劃前期研究專項1項、國家自然科學基金面上項目2項、山東省重點研發計劃重大科技創新工程項目1項、山東省重點研發項目（公益類）1項等課題20余項。在ASC Nano、Nano Letters、Nano Energy等期刊發表論文100余篇，申報國家發明專利40余項，其中已授權25項。曾獲山東省科技進步二等獎2項、三等獎2項，香港桑麻基金紡織科技二等獎1項，青島市科技進步一等獎1項、技術發明一等獎1項等10余項獎項。研究方向：新型天然植物纖維制取與應用研究；石墨烯改性纖維與功能紡織品研究；智能可穿戴技術與產品研發

  田明偉 教授

  博士生導師，現為青島大學紡織服裝學院副院長、山東省高等學校“青創科技計劃”創新團隊帶頭人，獲中國紡織工業聯合會教師獎、青島市青年科技獎、山東省紡織服裝行業杰出貢獻人物。兼任教育部紡織教指委纖維材料分委員會委員兼副秘書長、中國紡織機械協會理事、山東省紡織工程學會理事、《紡織高校基礎科學學報》青年編委、Advanced Fiber Materials青年編委、中國紡織工程學會高級會員、國家自然科學基金函評專家、16個SCI期刊特約審稿人。以第一作者/通訊作者在ACS Nano、Nano Letters、Nano Energy、Carbon等雜志發表高水平論文63篇，中科院大類一區14篇，相關成果引用次數1223次，單篇論文最高被引167次，H指數19，其中入選ESI高被引論文2篇。申請國家發明專利20項，已授權11項。受邀在中國紡織學術年會、第91屆世界紡織大會等會議匯報21次。獲山東省科技進步二等獎、中國紡織工業聯合會科技進步二等獎、中國紡織工業聯合會教學成果三等獎、青島市技術發明三等獎，指導山東省優秀碩士研究生論文1篇。研究方向：功能纖維及智能電子紡織品；智能可穿戴技術與智能紡織品；纖維及其集合體成形新技術與新理論。

  張學記 教授

  博士生導師，現任深圳大學黨委常委，副校長，北京科技大學學術委員會副主任，北京精準醫療與健康研究院執行院長，中國生物檢測監測產業技術創新戰略聯盟理事長、美國醫學與生物工程院院士，英國皇家化學學會會士，俄羅斯工程院外籍院士、國家特聘教授、中組部評審巡察小組組長。近年來，主持或參與美國NIH、NSF、NASA、國防部、北約、能源部和歐洲宇航局、國家重大、國家重點研發計劃、國家重大儀器研發專項以及中國自然科學基金等研究課題多項。已在國際一流刊物Chemical Reviews、JACS、Advanced Materials、ACS Nano、Chem. Sci、Anal. Chem等發表論文400余篇，引用12000多次，專利80項。在Elsevier、Springer、科學出版社出版中英文專著7部。已有30余項技術實現產業化，在全球100多個國家得到廣泛應用。多次擔任國際學術會議學術委員會委員、大會主席、分會主席，在國際學術會議作大會報告或專題學術報告100多次。2012年經中央提名(全國2名)，2015年當選科學中國人年度人物當選中共十八大黨代表，2016年獲中國杰出工程師獎，2017年獲首屆全國創新爭先獎，獲首都勞動獎章、北京優秀共產黨員，2018年獲國家教育部自然科學獎。

【課題組介紹】

  青島大學智能可穿戴技術研究中心自2018年成立至今，在智能紡織品與可穿戴技術領域開展系統研究，取得了一系列顯著成果，在Science、Advanced Materials、Nano Energy、Nano Letters、ACS Nano、Chemical Engineering Journal等國際知名期刊發表論文60余篇。