东华大学Small：由高度紧密的陶瓷纳米颗粒组成的坚固且稳定的核壳结构纤维用于多功能电子皮肤

【研究背景】

传统的陶瓷材料由于其脆性和对缺陷的敏感性而不适合在复杂的环境中使用。柔性陶瓷纤维由于其优异的机械柔韧性、耐高温性和优异的化学稳定性，已被开发用于各种应用。二维陶瓷纤维、薄膜和三维陶瓷纤维气凝胶通常具有低密度、低导热系数、大比表面积等诸多优良性能。但是目前制备陶瓷纤维的方法大多数需要高温条件下进行前驱体转化得到，这极大限制了材料的选择范围以及最后得到的陶瓷纤维的尺寸。因此，开发一种直接从相应陶瓷粉末制备一维结构的功能陶瓷纤维的通用方案，在一定程度上克服陶瓷的固有脆性的同时，发挥陶瓷的多功能性是十分有意义的。

电子皮肤，一种可以让机器人产生触觉的系统，其结构简单，可被加工成各种形状，能像衣服一样附着在设备表面，能够让机器人感知到物体的地点和方位以及硬度等信息。目前，开发具有应变、压力、温度和湿度等综合传感功能的多功能传感电子皮肤是研究人员关注的主要方向。智能纤维具有柔韧性好、重量轻、比表面积大、易于改性等特点，被认为是制造可穿戴电子皮肤的有前途的材料。在众多的备选材料中，陶瓷纤维材料突出表现在其优异的耐高温性和出色化学稳定性。然而，在纤维结构基础上开发兼具传感和电磁保护特性的稳定电子皮肤仍是一项挑战。

近日，东华大学范宇驰研究员团队开发了一种易于实施的两步策略，包括同轴湿法纺丝和冷等静压工艺制备得到同轴结构的一维陶瓷纤维。该方法具备很好的普适性，在外壳材料选用为芳纶纳米纤维的前提下，芯层材料可以选用各种陶瓷粉体。以铝掺杂氧化锌陶瓷纳米颗粒为例，最终制备出的纤维具有316MPa的高拉伸强度，同时保持了高达33%的断裂伸长率和良好的抗疲劳性。在功能性方面，该陶瓷纤维可用作高灵敏度的可穿戴应变传感器（GF=2141）和工作范围达70°C的温度传感器；此外，由陶瓷纤维编织而成的电磁吸收织物展现出有效吸收带宽覆盖整个X波段（8.2-12.4GHz）的优秀吸波性能。最重要的是，上述三种功能性可以集成在一起，制造出具备雷达隐身，动作监测和温度监测的多功能性机器人电子皮肤。相关研究成果以“Strong and Robust Core–Shell Ceramic Fibers Composed of Highly Compacted Nanoparticles for Multifunctional Electronic Skin”为题发表在国际知名期刊Small上。论文第一作者为博士生胡云峰，通讯作者为范宇驰研究员，通讯单位为东华大学。

【文章亮点】

1.开发了一种通用的两步法策略制备陶瓷纤维，以铝掺杂氧化锌和碳化硅纳米颗粒为例进行了结果的展示。

2.冷等静压工艺赋予了陶瓷纤维优秀的强度和柔性，其力学性能相比于其他以芳纶纳米纤维为基底或者外壳的纤维均表现出色。

3.陶瓷纳米颗粒的功能性可以在该纤维中得到充分展现，该工作仅仅展示了其中一种材料的三种功能性。

4.陶瓷纤维内芯的紧密堆积结构提升了接触位点的数量，从而赋予应变传感器超高的灵敏度。

【图文解析】

图1.(a)通过同轴湿法纺丝和CIP制造核壳纤维的工艺示意图。(b)AHA纤维和(e)AHAC纤维的横截面FE-SEM图像。(c)AHA纤维和(f)AHAC纤维的FE-SEM图像。(d)ANF纤维和(g)ANF CIP纤维的二维SAXS图像和二维WAXS图像以及相应的方位角曲线。

图2.纤维的力学性能表征：(a)不同同轴纤维的各部分面积值。(b)AHA和AHAC纤维的拉伸性能比较。(c)AHAC₃纤维和悬挂200克砝码的照片。(d)AHAC₃纤维与其他ANF基纤维的拉伸强度和断裂伸长率比较。(e)AHAC₃纤维的循环拉伸曲线。(f)AHA₃、AHAC₃和ACS₃纤维的典型应力-应变曲线。(g)AHAC纤维变形机制示意图。(h)拉伸过程中AHAC纤维的光学照片。

图3.纤维用作柔性应变传感器的传感性能表征：(a)AHAC₂纤维的不同弯曲应变及相应的相对电流变化,插入图显示了光纤的传感机制。(b)在0.1、0.5和1hz频率下，相对电流变化与0.15%的弯曲应变。(c)传感器2000次循环耐久性试验。(d)固定在手指上的传感器记录手指弯曲过程中的信号变化。(e)手腕上的传感器记录实时脉搏波监测。(f)固定在手表面的传感器可以接收到触摸产生的变形信号。

图4.纤维用作柔性温度传感器的传感性能表征：(a)相对电流随不同温度的变化,插入图显示了光纤的传感机制。(b)重复加热过程下的相对电流变化和光纤传感器的响应时间。(c)恒温静稳定性试验。(d)具有织物结构的AHAC纤维具有温度映射功能。

图5.纤维编织而成的织物的吸波性能表征：(a)AHAC₁、(b)AHAC₂、(c)AHAC₃织物的Z等高线图。(d)AHAC₁,(e)AHAC₂,(f)AHAC₃织物的RL等高线图。(g)AHAC织物的EAB直方图分布。(h)织物的EMA机理示意图。(i)以往文献结果与本工作X波段RL_min和EAB的比较。

图6.多功能陶瓷纤维电子皮肤的应用展示：(a)机器人穿着AHAC面料的雷达隐身原理图。(b)温度传感器在温度监测和报警系统中的应用。(c)机器人膝盖部位的纤维可以实现运动监控功能。(d)机器人运动状态可视化系统照片。