東華大學Small：由高度緊密的陶瓷納米顆粒組成的堅固且穩定的核殼結構纖維用于多功能電子皮膚

【研究背景】

傳統的陶瓷材料由于其脆性和對缺陷的敏感性而不適合在復雜的環境中使用。柔性陶瓷纖維由于其優異的機械柔韌性、耐高溫性和優異的化學穩定性，已被開發用于各種應用。二維陶瓷纖維、薄膜和三維陶瓷纖維氣凝膠通常具有低密度、低導熱系數、大比表面積等諸多優良性能。但是目前制備陶瓷纖維的方法大多數需要高溫條件下進行前驅體轉化得到，這極大限制了材料的選擇范圍以及最后得到的陶瓷纖維的尺寸。因此，開發一種直接從相應陶瓷粉末制備一維結構的功能陶瓷纖維的通用方案，在一定程度上克服陶瓷的固有脆性的同時，發揮陶瓷的多功能性是十分有意義的。

電子皮膚，一種可以讓機器人產生觸覺的系統，其結構簡單，可被加工成各種形狀，能像衣服一樣附著在設備表面，能夠讓機器人感知到物體的地點和方位以及硬度等信息。目前，開發具有應變、壓力、溫度和濕度等綜合傳感功能的多功能傳感電子皮膚是研究人員關注的主要方向。智能纖維具有柔韌性好、重量輕、比表面積大、易于改性等特點，被認為是制造可穿戴電子皮膚的有前途的材料。在眾多的備選材料中，陶瓷纖維材料突出表現在其優異的耐高溫性和出色化學穩定性。然而，在纖維結構基礎上開發兼具傳感和電磁保護特性的穩定電子皮膚仍是一項挑戰。

近日，東華大學范宇馳研究員團隊開發了一種易于實施的兩步策略，包括同軸濕法紡絲和冷等靜壓工藝制備得到同軸結構的一維陶瓷纖維。該方法具備很好的普適性，在外殼材料選用為芳綸納米纖維的前提下，芯層材料可以選用各種陶瓷粉體。以鋁摻雜氧化鋅陶瓷納米顆粒為例，最終制備出的纖維具有316MPa的高拉伸強度，同時保持了高達33%的斷裂伸長率和良好的抗疲勞性。在功能性方面，該陶瓷纖維可用作高靈敏度的可穿戴應變傳感器（GF=2141）和工作范圍達70°C的溫度傳感器；此外，由陶瓷纖維編織而成的電磁吸收織物展現出有效吸收帶寬覆蓋整個X波段（8.2-12.4GHz）的優秀吸波性能。最重要的是，上述三種功能性可以集成在一起，制造出具備雷達隱身，動作監測和溫度監測的多功能性機器人電子皮膚。相關研究成果以“Strong and Robust Core–Shell Ceramic Fibers Composed of Highly Compacted Nanoparticles for Multifunctional Electronic Skin”為題發表在國際知名期刊Small上。論文第一作者為博士生胡云峰，通訊作者為范宇馳研究員，通訊單位為東華大學。

【文章亮點】

1.開發了一種通用的兩步法策略制備陶瓷纖維，以鋁摻雜氧化鋅和碳化硅納米顆粒為例進行了結果的展示。

2.冷等靜壓工藝賦予了陶瓷纖維優秀的強度和柔性，其力學性能相比于其他以芳綸納米纖維為基底或者外殼的纖維均表現出色。

3.陶瓷納米顆粒的功能性可以在該纖維中得到充分展現，該工作僅僅展示了其中一種材料的三種功能性。

4.陶瓷纖維內芯的緊密堆積結構提升了接觸位點的數量，從而賦予應變傳感器超高的靈敏度。

【圖文解析】

圖1.(a)通過同軸濕法紡絲和CIP制造核殼纖維的工藝示意圖。(b)AHA纖維和(e)AHAC纖維的橫截面FE-SEM圖像。(c)AHA纖維和(f)AHAC纖維的FE-SEM圖像。(d)ANF纖維和(g)ANF CIP纖維的二維SAXS圖像和二維WAXS圖像以及相應的方位角曲線。

圖2.纖維的力學性能表征：(a)不同同軸纖維的各部分面積值。(b)AHA和AHAC纖維的拉伸性能比較。(c)AHAC₃纖維和懸掛200克砝碼的照片。(d)AHAC₃纖維與其他ANF基纖維的拉伸強度和斷裂伸長率比較。(e)AHAC₃纖維的循環拉伸曲線。(f)AHA₃、AHAC₃和ACS₃纖維的典型應力-應變曲線。(g)AHAC纖維變形機制示意圖。(h)拉伸過程中AHAC纖維的光學照片。

圖3.纖維用作柔性應變傳感器的傳感性能表征：(a)AHAC₂纖維的不同彎曲應變及相應的相對電流變化,插入圖顯示了光纖的傳感機制。(b)在0.1、0.5和1hz頻率下，相對電流變化與0.15%的彎曲應變。(c)傳感器2000次循環耐久性試驗。(d)固定在手指上的傳感器記錄手指彎曲過程中的信號變化。(e)手腕上的傳感器記錄實時脈搏波監測。(f)固定在手表面的傳感器可以接收到觸摸產生的變形信號。

圖4.纖維用作柔性溫度傳感器的傳感性能表征：(a)相對電流隨不同溫度的變化,插入圖顯示了光纖的傳感機制。(b)重復加熱過程下的相對電流變化和光纖傳感器的響應時間。(c)恒溫靜穩定性試驗。(d)具有織物結構的AHAC纖維具有溫度映射功能。

圖5.纖維編織而成的織物的吸波性能表征：(a)AHAC₁、(b)AHAC₂、(c)AHAC₃織物的Z等高線圖。(d)AHAC₁,(e)AHAC₂,(f)AHAC₃織物的RL等高線圖。(g)AHAC織物的EAB直方圖分布。(h)織物的EMA機理示意圖。(i)以往文獻結果與本工作X波段RL_min和EAB的比較。

圖6.多功能陶瓷纖維電子皮膚的應用展示：(a)機器人穿著AHAC面料的雷達隱身原理圖。(b)溫度傳感器在溫度監測和報警系統中的應用。(c)機器人膝蓋部位的纖維可以實現運動監控功能。(d)機器人運動狀態可視化系統照片。