基于光纤的电子器件采用一维架构，直径从几十微米到几百微米不等，因其差异化的柔软度、出色的形状适应性和人性化的界面，是开发可穿戴电子产品最有前途的自由曲面因素之一。与传统的笨重或平面同类产品相比，这些显着优势引发了对开发各种纤维器件的巨大研究兴趣，这些器件可以提供电互连、能量存储、变形传感和驱动等功能。在早期阶段，由于制造工艺简单易行，阳极和阴极光纤之间具有特定间距的并联配置主要受到青睐。然而，其巨大的体积结构带来了严重的组件尺寸问题，这是可穿戴设备的基本特征。虽然扭曲的配置可以提供相对较短的组装距离和紧凑的设计，但在器件过度变形的情况下，两个电极容易受到缺电电路的影响。或者，同轴配置可能是一个不错的选择，其核壳结构包括内芯光纤和外壳。一个可能的挑战是，在多步涂覆过程中，由于杨氏模量不匹配导致界面接触松动，电极接触层容易从芯材基板上开裂和剥落。为了克服上述缺点，亟需研制一种具有高机电稳定性、组装紧凑、界面接触紧密的替代光纤器件
最近，来自韩国首尔汉阳大学电子工程与生物医学工程系的Changsoon Choi研究团队制备了一种柔软而有弹性的单体纤维系统，该系统包括集成双螺旋扣 （DHB） 电极，通过 CNT 和橡胶之间的扭转和应变失配。对具有本质弹性的介电芯轴芯纤维进行预捻和预拉伸，然后分别在纤维的顶面和底面缠绕两条单轴取向的CNT带。在纵向和旋转方向上依次松弛后，完全释放的纤维被微观弯曲的双CNT带螺旋条纹，这确保了对动态或极端机械应变的极高结构、电气和机械稳定性。相关成果以“Double-Helical Carbon Nanotube-Wrapped Elastomeric Mandrel for Electrical Shortage-Free, One-Body Multifunctional Fiber Systems”为题发表在期刊《Advanced Functional Materials》上。
研究进展
图1：DHB纤维的制备和形态。a） DHB纤维的制造工艺。柔软而有弹性的 Ecoflex 芯纤维被扭曲（逆时针方向为2520 rad m −1 ），直到线圈形成之前。双端拴留的 Ecoflex 双绞线光纤在纤维方向上被拉伸高达300%。然后，两条碳纳米管带平行加载到扭曲、拉伸纤维的顶面和底面上，以实现扭转和应变失配。负载碳纳米管的错配纤维首先纵向释放以形成微扣，然后展开以产生大螺旋图案，从而产生DHB纤维。b） 预捻、预拉伸的 Ecoflex 纤维、c） 两根 CNT 带状负载的Ecoflex 纤维、d） 应变释放的带扣CNT-Ecoflex 纤维和 e） 具有均匀双螺旋图案的未加捻扣扣CNT-Ecoflex 纤维的光学图像（比例尺：（b-e） = 2 mm）。在这里和其他地方，绿色和红色阴影用于表示单个 CNT 带状电极。SEM图像显示f）对角线排列的Ecoflex，g）Ecoflex纤维与纵向CNT带状电极之间的扭转和应变不匹配，h）应变释放过程后形成微扣，i）解捻后形成大螺旋，j）螺旋排列的微扣CNT电极，k）螺旋状CNT扣电极之间恒定的间隙，表明不存在可能的电短路， l）致密堆积的微观CNT扣的低倍率和m）高倍率（比例尺：（f-i）=100μm，（j，k）=150μm，（l）=30μm和（m）=10μm）。
图1a说明了DHB光纤的制造过程，包括四个关键步骤。使用点胶针尖模板将市售硅橡胶（Ecoflex 00–30）模塑成纤维形状。在第一步中，通过施加扭转逆时针扭转成型的 Ecoflex 芯芯纤维，然后通过施加 300% 应变沿拉伸方向拉伸（图 1b，f）。由于这种预捻和预拉伸的应用，两端系留心轴芯纤维代表了对角线排列的表面，比偏置角为 18°（图 1f）。在第二步中，将两个从通过化学气相沉积制成的多壁CNT带分别加载到心轴芯纤维的顶面和底面上（图1c，g）。然后，在乙醇蒸发过程中，将乙醇反复滴在纤维表面，使带致密化。加载的CNT带平行于心轴-芯纤维轴向排列，这导致了CNT电极和橡胶芯棒之间的大扭转和应变失配（图1g）。在第三步中，负载CNT的Ecoflex纤维优先从预拉伸中释放出来，在芯纤芯纤维的两侧形成微扣CNT电极（图1d，h）。由于乙醇致密化导致CNT带与芯芯纤维之间的粘附力很强，因此在微扣形成的拉伸应变松弛过程中没有观察到明显的剥离（图1h）。在最后一步中，将带扣的CNT-Ecoflex纤维从预捻处松弛，形成宏观尺度均匀的CNT带扣电极双螺旋图案（图1e）。
图2a示意性地说明了电短路的一体DHB光纤。产生的DHB纤维让人想起其几何图案螺旋商品“圣诞糖果手杖”，它由白色和红色交替的条纹组成。受糖果手杖的这种双螺旋结构的启发，根据电极配置系统地进行了电气连接测试，以确认DHB纤维的两个CNT电极之间没有电气短路。如图2b（i）、（ii）所示，通过典型的电流-电压（I-V）曲线研究了两种不同类型的电极连接：单电极连接（i）和双电极连接（ii）。正如预期的那样，单个CNT电极（表示为（1）和（2））的I-V曲线（绿线和红线）中的电流响应随电压线性变化，表明电极的导电性良好。由此产生的先进DHB纤维在保持其柔软性和弹性的同时，表现出出色的机电稳定性、扭转传感能力和令人满意的线性性能值。
图3：DHB光纤作为高级电容式传感器的扭转和应变传感能力。a） 螺旋角为49°、58° 和 63° 的扭曲DHB 光纤传感器的光学图像，分别通过插入0、940、2520 rad m −1 的扭曲（比例尺 = 400 μm）产生。b） 螺旋角变化和电容与插入扭转水平的关系（以每根纤维长度的弧度为单位）。插图：加捻DHB纤维的结构图（S捻的外部CNT带）。c）从 –2520 rad m −1 （逆时针方向）到 2520 rad m −1 （顺时针方向）的六个宽扭转水平周期内的电容变化。d） 200 个周期（从–2520 rad m −1 到 2520 rad m −1 ）电容变化响应的稳定性测试。插图显示了选定范围内的第 1 个（黑色）、第 10 个（红色）、第100 个（蓝色）和第 200 个（绿色）循环。e）纤维直径（d） 随拉伸应变的变化和电容。插图：图示显示了DHB 光纤传感器在拉伸过程中的横截面图。f） DHB光纤传感器在典型的压力加载-卸载周期中的电容变化。插图显示了光纤对垂直施加到 DHB 光纤传感器的各种压力（15、30和 38 kPa）的瞬态电容响应。
DHB光纤器件的稳定电阻即使在极端变形下也几乎保持不变，使其能够在可穿戴电容式传感器中得到应用。图3c显示了连续六个扭转周期（逆时针和顺时针方向）电容变化的时间依赖性，表明光纤传感器具有稳定的连续响应和高双向扭转的可重复性。图 3d 显示了200 次重复扭转循环的耐久性测试结果。在这些周期中，DHB光纤传感器表现出高度稳定和可逆的电容响应。图3f还显示了垂直方向施加的应力对DHB光纤传感器电容的影响。光纤传感器显示出高达 38 kPa 的宽压力感应范围，并且在正向（按压）和反向（向后按压）方向上的滞后可以忽略不计。
总结和展望
本研究制备了一种基于DHB电极的单体纤维体系，同时展示了基于DHB光纤系统的三种潜在应用：（1）基于介电的拉伸、扭转和压缩应变电容传感器，（2）具有电化学引入的含氧基团的伪电容效应的可变形超级电容器，以及（3）在负载张力下通过电热驱动的心轴芯膨胀的拉伸致动器。
https://doi.org/10.1002/adfm.202312033
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