Nano Lett.：可持續拉絲紡制備可形成微米圖案的超長銀亞微米纖維

【引語】

2017年2月6日，Nano Lett. 網站在線發表了題為“Continuous Draw Spinning of Extra-Long Silver Submicron Fibers with Micrometer Patterning Capability”的文章。該文章的第一作者為來自清華大學的Xiaopeng Bai，通訊作者為清華大學的伍暉教授。在這篇文章中，研究人員設計一種可持續拉絲紡的方法用于制備直徑可達200 nm、長度可到達千米的銀超導電亞微米纖維。單根的AgNO₃-聚合物纖維的持續拉伸制備速度可達8 m/s，經過煅燒處理后，即可得到高韌性強度和電導性的銀亞微米纖維。將銀亞微米纖維的編織物做透明電極材料，其不僅表現出高強度韌性，在透明度達到96%時還擁有低薄膜電阻(7 Ω sq^?1)。可持續拉絲紡為規模化制備高柔韌性和低成本的超長導電超薄金屬纖維提供了一種全新的方式。

【成果簡介】

超薄金屬纖維材料因具有高電導率、靈活交變電流以及熱傳導等特性而引起在撓性電子、能量轉化等領域引起廣泛研究和應用。目前，商業化的金屬纖維直徑最小為2 μm, 持續大規模化生產低成本、高質量的納米級金屬纖維仍面臨著巨大挑戰。當前制備超薄金屬以及其他導電纖維的方法有靜電紡絲法、熔融紡絲法以及濕法紡絲，但這些方法無法實現纖維尺寸精準可控。為實現尺寸均一規整的超薄導電纖維，現有平板印刷、噴墨印刷、模板合成、噴印等方法。這些方法可制備高質量、高密度的規整金屬纖維，但需要高時間成本且依賴復雜的制備工序。為有效實現規模化制備高柔韌性和低成本的超長導電超薄金屬纖維，本文中的研究人員利用可持續拉絲紡制備長度可達千米的超薄銀亞微米纖維。通過這種方法，銀纖維的持續拉伸制備速度可達8 m/s。銀纖維網可編織成銀纖維墊用于透明電極，這種透明電極具備高性能 (7 Ω sq^?1)、高柔韌性、延展性能好 (拉伸應變可達130%) 等特點。

【圖文導讀】

圖1. 利用可持續拉絲紡制備超長導電超薄銀亞微米纖維的制備過程

(a) 銀納米纖維陣列的制備機理圖。

(b) 真實制備過程圖以及高度透明的銀納米纖維陣列纏繞在中空不銹鋼板上。

(c) 不同旋轉速度下，針頭上的液錐形成纖維具有恒定的轉變率。

(d) 具有不同間隔以及不同直徑的銀納米纖維陣列的SEM圖。

(e) 溶液黏度和纖維直徑的關系圖。

(f) 剪切力和直徑與基地旋轉速度的關系圖。

圖2：利用超長亞微米纖維制備銀纖維網

(a) 銀納米纖維網的光學圖。

(b) 銀納米纖維網的SEM圖 (標尺為10 μm)。

(c) 不同直徑的銀納米纖維陣列的截面以及縱向SEM圖。

(d) 通過AFM圖可以觀察到銀亞微米纖維網具有細微的高度差。

(e) 銀亞微米纖維網的SEM圖以及對應的Ag元素分布圖。

圖3：Ag纖維透明導電電極

(a) 銀亞微米纖維網的透明度與薄膜電阻之間的關系圖。

(b) ?煅燒溫度與薄膜電阻之間的關系圖。

(c) 銀亞微米纖維網在不同彎曲半徑時測試薄膜電阻的穩定性。

(d) 薄膜電阻阻值與彎曲次數的函數關系 (彎曲半徑達2 mm)。

(e) 將銀亞微米纖維網粘附在PDMS基底上，其薄膜電阻阻值變化與單軸拉伸應變的關系；右圖為拉伸后纖維網的SEM圖。

圖4：銀亞微米纖維網的柔性、韌性以及透明度

(a) 銀亞微米纖維網粘附在不同的基底上。MASnI₃薄膜接觸水分子后的分解過程圖。

(b) 銀亞微米纖維網在變皺后可輕易展開還原。

(c) 銀亞微米纖維網折疊兩次后的光學圖。

(d) 銀亞微米纖維網折疊后的SEM圖。

圖5：超長單根Ag納米線作電纜芯線

(a) 直徑為400 nm的Ag納米線作為導線連接LED燈裝置的示意圖。

(b) 單根纖維纏繞過程圖和當根纖維陣列的光學圖。

(c) 500 m的單根Ag納米線纏繞在玻璃棒上。

(d) 長度為28 m的Ag納米線作為導線連接LED燈裝置。

(e) 長度為28 m的Ag納米線均勻間隔纏繞在陶瓷棒上的SEM圖。

【小結】

綜上所述，研究人員基于可持續拉絲紡的方法，制備了一種直徑可達200 nm、長度可到達千米的纖維。這種方法得到的Ag納米線編織成大尺寸的銀亞微米纖維網(8×8 cm)可表現出杰出的光學、電性能以及優越的柔軟性和韌性。這種銀納米線網可應用于柔性太陽能電池、觸感屏、觸感傳感器以及平板顯示器。另外這種超長Ag亞微米纖維可直接應用于電流傳導和傳熱通道。此外，可持續拉絲紡的方法可廣泛應用于制備超長亞微米纖維領域。

文獻鏈接：Continuous Draw Spinning of Extra-Long Silver Submicron Fibers with Micrometer Patterning Capability (Nano Lett.,?2017, DOI：10.1021/acs.nanolett.6b05205)

該文獻匯總由材料人編輯部納米學術組王暢供稿，材料牛編輯整理。

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