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    液态金属纤维毡: 适用于穿戴式电子设备的创新导电材料

    发布时间:2021-08-09    344 阅读量

    香港理工大学研发出一种适用于穿戴式电子设备的高透气及超弹性导电材料。此种创新导电材料是 以涂抹或者印刷方法将液态金属物料加于弹性纤维网上,这种弹性纤维网是以静电纺丝程序制成, 透气度高、弹性强、能导电且导电稳定性高,可以广泛应用于健康监测设备、软体机械人和贴在皮 肤上的电子装置。本研究项目的结果(Permeable superelastic liquid-metal fibre mat enables biocompatible and monolithic stretchable electronics)已经发表在《Nature Materials》杂志上。

    据 IDTechEX 预测,在智能电话之后,穿戴式电子产品将会在市场上具有庞大的发展潜力,预计到 2026 年,市场总值将超过 1500 亿美元。穿戴式电子设备、贴在皮肤上的电子装置、软体机械人和生物电子零件均需采用高弹性的电子装置和系统部件。

    然而,现时很多这类部件只能装嵌在不透气的弹性厚片上,长时间佩戴会引致严重皮肤敏感、发炎等问题。此外,由于市场上用于电子装置的材料透气度低,不适合把具感应功能的装置植入,然后叠起多层嵌置在产品中;因此令可拉展的电子装置产品在功能增润方面受到局限。

    由香港理大纺织及服装学系郑子剑教授所领导,并由应用物理学系、生物医学工程学系跨专业科研人员组成的研究团队,成功研发出新型高透气、超弹性的导电材料,该导电材料能应用于多功能并可与生物兼容的电子设备。此创新导电材料名为「液态金属纤维毡」(liquid-metal fibre mat),利用涂抹或打印技术,把液态金属加于以静电纺丝制成的弹性纤维网上,再经过拉展程序,悬挂在弹性纤维网之间的液态金属便会自行形成横向多孔、纵向弯曲的结构?!敢禾鹗粝宋薄雇钙燃?,并且经拉力测试后仍能维持高弹性和超高导电能力。此外,物料亦具备优良的生物兼容性,可直接在人体皮肤上使用。

    郑教授解释 :「我们所选用的液态金属是通常用于制造可屈曲电路板的低熔点镓铟合金(EGaIn),并打印在通常用于手套、气球等橡胶产品的弹性苯乙烯 - 丁二烯 - 苯乙烯(poly(styrene-block-butadiene-blockstyrene),SBS)物料上,组合成『液态金属纤维毡』。之后我们把毡子拉展至 18 倍,并重复进行 12 次,毡子便会自动形成一些小孔,令透气度大大提高。以测试的样本为例,我们把0.8mg cm-2 份量 EGaIn 涂印在 320 微米厚的 SBS 纤维物料上,再经拉展程序后,其透气度提升至每天 724gm-2,较日常用的护理胶布(每天 31gm-2 )高出 22 倍。样本亦曾在活体小兔皮肤上进行测试,生物兼容的效果理想,并没有出现任何皮肤敏感的状况?!?/p>

    EGaIn 是一种在室温下仍能保持液态的金属材料,不但黏性低、导电能力高、毒性低,而且暴露在空气时,能在表面迅速形成薄薄一层氧化物(Ga2O3)。经过拉展程序后,氧化物会出现小孔和弯曲的折纹,令其变得更具弹性,导电效果更佳。

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    香港理大纺织及服装学系郑子剑教授率领团队,成 功研发适用于穿戴式电子设备的「液态金属纤维 毡」。这种创新导电材料透气度高,而且极具弹 性,导电能力高,可印上相关电路,作为健康监测 传感器使用。

    此外,研究团队亦利用「液态金属纤维毡」制成三片分别用以量度心电图、汗液和温度的传感器,并且把它们迭在一起使用。迭起三层后,物料厚度约为一毫米,而三个传感器均能正常运作,且保持高透气度。这足以证明此创新的「液态金属纤维毡」能够叠起使用,具备多功能且穿戴舒适的优点。

    总之,「液态金属纤维毡」是一种高透气和超弹性的崭新导电材料,通过把液态金属涂抹或打印于弹性纤维物料,再经过简单的拉展程序而制成。即使叠起多层使用,仍能维持高透气度。此创新导电材料有助于开发各种穿戴式电子设备,进一步整合具有多项功能的设备,令长时间穿戴更感舒适。

    本研究项目主要获得香江学者计划与香港研究资助局拨款支持。研究团队会进一步加强「液态金属纤维毡」的性能,并开发不同类型的护理电子产品及系统。

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