《Chemical Engineering Journal》：Highly stretchable metallized spandex fibers for large-strain sensing and flexible electromagnetic interference shielding
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高拉伸性导电银镀氨纶纤维通过预应变镀层技术实现低滞回应变传感和单层45dB电磁屏蔽，系统比较平行、 twisted和螺旋结构，发现twisted束结构平衡敏感度与机械稳定性，预应变使银层表面皱褶在拉伸时展开，抑制随机裂纹形成，显著降低最大滞回效应至4.5%，并将该技术扩展至氨纶织物柔性电磁屏蔽应用。
黄宇硕（Uiseok Hwang）|王瑜姬（Ji Wang Yoo）|金秀灿（Soochan Kim）|宋在旭（Jaeuk Sung）|南在铎（Jae-Do Nam）
美国宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院化学与生物分子工程系，费城，PA 19104
摘要
虽然高延展性和电气可靠性对于可穿戴电子设备至关重要，但在大变形下保持一致的性能仍然是一个重大挑战。在这里，我们报道了一种高度可伸展且导电的镀银氨纶纤维，适用于应变传感和电磁干扰（EMI）屏蔽的集成应用。为了优化传感性能，我们系统地比较了三种纤维束配置：平行排列、绞合排列和卷曲排列。其中，绞合排列在灵敏度（即测量因子）和机械稳定性之间表现出最佳平衡。为了进一步提高可靠性，我们引入了30%应变下的预应变镀层策略，这种策略在应变释放时会在银涂层表面形成皱纹状结构。在后续的拉伸过程中，这些皱纹会展开，有效减少银层中的随机裂纹生成，并显著降低滞后现象（最大滞后约为4.5%）。此外，我们将这种金属化技术应用于氨纶织物，实现了单层织物45 dB的优异屏蔽效果。这些发现表明，我们的镀银氨纶平台为下一代可穿戴运动监测和电子保护提供了一个实用的解决方案。
引言
可穿戴电子设备和软体机器人的快速发展推动了对能够准确监测大范围机械变形的高度可变形应变传感器的需求不断增加[1]、[2]。这些传感器在多种应用中至关重要，包括人体运动检测、结构健康监测以及假肢反馈系统，它们通常被集成到人造肢体或机器人手指关节中[3]、[4]、[23]。为了确保可靠的性能，这类传感器必须能够适应人体复杂的重复运动，这些运动通常涉及关节和肌肉附近的拉伸应变超过40%[5]、[6]。这一需求激发了人们对灵活且可伸展的传感平台的研究，这些平台需要结合高灵敏度、大传感范围和长期耐用性[7]、[8]。
然而，同时实现高灵敏度（即测量因子）和高延展性仍然是一个重大挑战，因为这两个参数之间存在固有的权衡[2]、[9]。例如，嵌入弹性体基质中的碳纳米管和石墨烯具有高延展性，其传感机制依赖于渗透网络的分离[5]、[10]、[11]、[28]。然而，这些传感器经常由于填料分布的随机性而表现出低传感可靠性，表现为显著的滞后和非线性响应。相反，沉积在弹性体上的金属薄膜通过控制裂纹扩展实现了超高的灵敏度[12]、[13]、[14]、[15]。然而，这种突然的裂纹开启行为通常会导致操作范围狭窄，从根本上限制了它们在检测大范围变形中的应用。尽管已经探索了多种策略来弥合这一差距，但在高灵敏度和宽操作范围之间取得平衡仍然是监测大范围人体关节运动的主要障碍。
基于纤维的电子设备，或称e-textiles，由于其固有的灵活性、透气性和与可穿戴服装的无缝集成性，成为解决这些挑战的有希望的架构[16]、[24]、[25]。特别是，镀金属的聚合物纤维结合了金属导电性和类似弹性体的延展性[17]、[18]。然而，仍存在一个重要瓶颈：传统的镀金属纤维在反复拉伸时不可避免地在涂层表面产生不受控制的微观裂纹，这是由于刚性金属涂层和弹性聚合物芯纤维之间的机械不匹配所致。这些缺陷导致高机电滞后、非线性响应以及最终的涂层剥离，所有这些都会严重损害传感器的长期可靠性。精确控制纤维上的应力分布可以使微裂纹以渐进和可预测的方式发展，这是实现改进的传感线性和减少滞后的关键。
此外，保护控制器和无线模块等敏感微组件免受外部电磁波的影响对于防止可穿戴硬件故障至关重要[19]、[20]、[21]、[26]、[29]。这一需求促使将屏蔽功能直接集成到传感材料中。通过将导电织物同时用作应变传感器和电磁干扰（EMI）屏障，系统可以在不需要额外笨重层的情况下实现全面保护。这种多功能方法对于保持智能服装的轻便和透气性至关重要，确保电子保护的集成不会影响佩戴者的舒适度或设备的灵活性。
在这项工作中，我们通过比较三种不同的宏观结构——平行排列、绞合排列和卷曲排列——系统研究了镀银氨纶纤维的机电性能，这些结构是通过在56股纤维束上施加不同程度的扭转形成的。虽然平行排列具有较高的测量因子，但存在显著的滞后和不稳定问题；而卷曲排列虽然在灵敏度上有所牺牲，但稳定性更佳。尽管绞合排列在三种排列中提供了最平衡的性能，但由于在拉伸过程中银涂层中不可避免地会形成微裂纹，所有排列都存在机电滞后。为了克服这一问题，我们采用了预应变镀层策略，在保持纤维处于30%拉伸应变的情况下进行银沉积。这一过程在应变释放时会在表面形成周期性的皱纹状结构，从而使表面在后续拉伸过程中展开，从而减少随机裂纹的形成并降低滞后。值得注意的是，通过预应变镀层制造的绞合纤维束表现出显著较低的滞后（最大滞后约为4.5%）和较高的可靠性。此外，我们将这种金属化技术应用于氨纶织物，证明了它们作为柔性EMI屏蔽材料的潜力，单层织物即可实现45 dB的高屏蔽效果。总体而言，这种多功能材料通过极低的滞后和出色的EMI屏蔽性能，提供了一个多功能且可扩展的平台，适用于高性能的运动监测和电子保护。
结果与讨论
通过无电镀工艺制备了镀银氨纶纤维，以开发出能够将氨纶的优异延展性（>400%的伸长率）与银的高导电性（约6.3 × 10^7 S/m）相结合的应变传感器（图1a）。在此过程中，首先将亚锡离子（Sn^2+）吸附到纤维表面，为银离子（Ag^+）提供活性成核位点。然后这些Sn^2+离子通过氧化成Sn^4+将Ag^+还原为金属银。
结论
我们开发了一种镀银氨纶纤维，作为一种多功能且可扩展的平台，同时实现了高性能的应变传感和卓越的EMI屏蔽。通过对纤维结构的系统研究，我们证明绞合排列配置通过建立密集且冗余的导电网络，提供了最佳的机电性能。本研究的一个关键创新是30%的预应变镀层策略，该策略
材料
硝酸银（AgNO3）、氯化锡二水合物（SnCl2·2H2O）、氢氧化铵溶液（28 wt%）、盐酸（37 wt%）和酒石酸钾钠四水合物（Rochelle盐）（KNaC4H4O6·4H2O）均从Sigma-Aldrich购买，按原样使用无需进一步纯化。氨纶单丝和织物（Creora?，一种由聚醚-聚氨酯共聚物组成的合成纤维）由Hyosung有限公司（韩国）提供。阴离子水性聚氨酯（WPU）也来自作者贡献声明
黄宇硕（Uiseok Hwang）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，数据管理。
王瑜姬（Ji Wang Yoo）：撰写 – 原稿撰写，方法学研究，数据管理。
金秀灿（Soochan Kim）：验证，撰写 – 审稿与编辑。
宋在旭（Jaeuk Sung）：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督。
南在铎（Jae-Do Nam）：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，项目管理，资金获取，概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
