陈济桁| 美空军实验室科学家发现独特的可拉伸导体
随着增强现实（AR）、虚拟现实（VR）、工业物联网、智能监测需求的增加，可穿戴设备和机体植入物将会获得更加广泛的应用。而随着应用场景复杂程度的增加，未来人们对于可穿戴设备的要求也越来越高，电子化的织物、软体机器人、可拉伸的电子产品等新兴技术领域，将是下一代可穿戴和植入材料和设备的主要发展和应用方向。与当今基于刚性硅材料技术的电子设备不同，可承受弯曲、折叠、皱起和拉伸的电子功能材料或电子设备，能够适应几乎所有类型的结构形状，并提供独特的功能，这是传统电子功能材料和技术难以实现的。近年来，柔性的电子材料和装置发展迅速，据美空军研究实验室（AFRL），AFRL的研究人员最近开发出了一种全新的液态金属网络系统。该系统可以使得导体在拉伸状态下自主改变结构，同时还能保证原有的导电性能不受影响，更好的响应外部应变。AFRL认为，这种可拉伸导体有望在可穿戴设备中发挥重要作用。一、项目研发背景——传统导体再拉伸作用后导电性能降低在常见柔性可穿戴设备的可拉伸部位中，其中的关键组件就是导体，导体就像一条宽敞的“高速公路”，负责快速的传递电信号，实现可穿戴设备的各项功能。目前，为了让这条“高速公路”的通畅运行，已经采取了几种不同的策略进行可穿戴设备的制造，它们通常分为两大类：一种是改变可穿戴设备的结构设计，采取更具可拉伸性的外部结构，例如采用织物结构或弯曲的基材结构；另一种就是利用可拉伸的导体材料，例如聚合物导体等。但是，大多数导体，如常见的银或铜，都是刚性的，它们在拉伸断裂之前，断裂伸长率不会超过2％。而其他可拉伸的导体，例如聚合物复合材料或导电聚合物，其在拉伸的作用下固有性能改变——导体的电导率降低，电阻增加。这是由于，导体受到拉伸作用时，由于塑性原因导致导体增长，原本宽敞的“高速公路”由于外部原因变成了“狭长、弯曲的小路”，原本可迅速通过的电流不得不放慢速度，同时还要通行更长的距离，即造成我们所看到的导电性能降低，电阻增加。一般来说，设备中出现了这样的情况，需要采取外部措施进行电流补偿，例如，测量设备发生应变时内部的电阻变化，然后再通过实时改变电流的输入和施加的电压等方式，适应和补偿该变化。但这种方式使结构变得复杂，应用场景受限，大大降低了可穿戴设备的应用便捷度。近年来，液态金属的发展为解决导体拉伸后导电性能降低的问题带来了一种新颖的、有前途的设计策略。基于上述原因，2018年，美空军科研办公室提供基础研究经费，要求AFRL开展可拉伸液态金属导体的研发工作。来源：https://xincailiao.ofweek.com/二、AFRL开发新型液态金属网络2019年10月3日，AFRL科学家宣布研发出了一种被称为“聚合液态金属网络”（Poly－LMNs）材料，它采用液态镓合金外覆氧化物的方式制造而成。Poly－LMNs最大的特点是，随着导体在承受拉伸后增长，其电导率会增加。导体在被拉伸至原始长度的700％时，仍可自主“消化”产生的应变，使得拉伸前后的导体测量电阻几乎保持不变，保持原本的导电性能。实现这一功能主要原因是源于材料内部自动组织性的纳米结构，它可自主对应变做出反应。https://mp.ofweek.com/Upload/News/Img/member4662/201910/wx_article_20191030155803_nj8HAv.jpgAFRL开发了聚合液态金属网络，并将其设计成为一种高度可拉伸的导体，可随应变变化自主提高电导率（美空军研究实验室图片）AFRL该项目的首席研究员克里斯托弗·塔博尔博士表示，这种材料制成的导体对拉伸应变的反应与人们通常见到的导体特性完全相反。在进一步了解其中的主要原因前，研究人员对液态金属系统进行试验，并观测到了与传统金属导体完全相反的响应现象，实验结果出乎意料。除导电性能，AFRL研究人员还用类似可加热手套形状的可穿戴设备评估了这种材料的热性能。研究人员通过持续手指活动测量装置的热响应，发现手套可在施加恒定电压的情况下保持接近恒定的温度。这与目前的最新的可拉伸加热装置不同——由于应变会导致电阻变化，现有的加热装置仍会造成大量的热能损失。有关液态金属系统的更多的性能特点和材料制造细节，AFRL的柔性材料与工艺团队已通过最新一期《先进材料》期刊中《机械响应聚合液态金属网络》（Mechanoresponsive Polymerized Liquid Metal Networks）一文进行了详细论述。
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