由于其低熔點、高導電性的優點，液態金屬材料在柔性傳感器制備方面具有獨特的優勢。近年來報道的基于液態金屬的纖維狀柔性電子器件具有工藝簡單、可編織和高拉伸性的優點，表現出巨大的應用潛質，逐漸引起國內外研究者的興趣。目前，大多數基于液態金屬的纖維狀柔性電子器件通常是將液態金屬灌注在柔性硅膠管道內制作成可拉伸導電纖維。

近日，來自清華大學的劉靜教授和張瑩瑩教授的研究團隊聯合開發了一種新型液態金屬智能復合纖維。不同于傳統管道灌注方法制備的液態金屬拉伸導電纖維，這種液態金屬智能復合纖維將半液態金屬材料作為導電涂層，位于智能纖維的最外層。研究人員特意將半液態金屬涂層暴露在最外層，目的在于充分利用半液態金屬材料具有的低熔點、接觸潤濕的特點，實現智能纖維在固液轉換狀態下的力學性能調控，以及多組纖維液相焊接使能的電學性能調控。此外，利用智能纖維的可編織特性，研究人員開發出多種功能的液態金屬導電纖維織物，展示出其在可穿戴電子領域的應用前景。

圖1具有不同應用特性的半液態金屬智能纖維

在之前該實驗室液態金屬智能纖維研究基礎上，研究人員為解決液態金屬鎵銦合金流動性強，難以穩定附著在纖維表面的問題，改進了液態金屬智能纖維的制備工藝，使用塑形能力較強的半液態金屬材料（Cu-Ga-In）作為纖維導電涂層。這種摻雜固體金屬顆粒的半液態金屬材料不僅可以在一定時間內穩定維持原有的粘附狀態，而且保留了液態金屬低熔點、接觸潤濕的特點。在該研究中，研究人員選用多種天然和人造纖維作為智能纖維的內核，如超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE），天然棉纖維、頭發以及聚氨酯（PU）彈性纖維等。此外，為進一步提高半液態金屬材料在這些纖維表面的粘附性，研究人員將一種對半液態金屬材料粘附性極好的PMA涂層附著在內核纖維的表面。

圖2半液態金屬智能纖維的制備流程及多種纖維內核

由于這些纖維自身具有不同的力學特性，因此使用該方法可制造出具有不同力學性能的導電纖維。例如使用高強度UHMWPE纖維制作的導電纖維具有超高的抗拉特性，在吊起重物的同時，能夠保持穩定的導電特性。

圖3 以高強度UHMWPE纖維為內核的導電纖維可提起重物

此外，由于天然棉纖維具有成本低廉，易于編織的特點，研究人員將以天然棉線作為內核的半液態金屬智能纖維進行編織，開發出無線充電線圈和可拉伸網狀導電織物等大面積的可穿戴柔性電子設備。

圖4 以天然棉線作為內核的半液態金屬智能纖維用于可編織電路以及低溫焊接的3D電路

視頻一：半液態金屬智能纖維用于可編織電路：

不同于將液態金屬封裝在硅膠管道內的制備策略，將半液態金屬暴露在纖維最外層可以實現多根液態金屬纖維在低溫環境下的自動焊接，并且轉化成固態的半液態金屬涂層能夠為纖維提供力學支撐，并由多根纖維搭建出3D電路。

視頻二：半液態金屬涂層低溫下的焊接效果

最后，本研究以PU彈性纖維作為內核制造出可拉伸導電纖維，并能在300%拉伸狀態下保持穩定的電學特性，表現出較高的拉伸性和抗疲勞特性。此外，研究發現將兩根可拉伸導電纖維并列組合，外層的半液態金屬可以自動接觸潤濕，形成液橋。而且兩根纖維之間的縫隙使得半液態金屬涂層分布更加均勻，顯著提高了可拉伸纖維的導電性能。根據這種現象，研究人員將多組可拉伸纖維首尾連接、并列排布，并且能夠在纖維組的拉伸過程中調整纖維間距，使得部分纖維接觸形成液橋，造成線路短路，降低纖維組的整體電阻。因此，利用纖維之間形成的液橋可實現拉伸纖維的電阻調控。

圖5 以PU彈性纖維為內核的可拉伸導電纖維組的可調控電阻特性

視頻三、以PU彈性纖維為內核的可拉伸導電纖維

該成果以“Smart semiliquid metal fibers with designed mechanical properties for room temperature stimulus response and liquid welding”發表在國際知名期刊Applied Materials Today，清華大學博士生國瑞和王惠民為共同第一作者，通訊作者為清華大學劉靜教授和張瑩瑩教授。