一、导读

随着智能可穿戴技术和柔性电子的发展，高性能弹性导电纱线的研发成为关键挑战。然而，传统导电纱线普遍存在一个“难以兼顾”的问题：高灵敏度与宽传感范围难以兼顾。这种矛盾源于导电涂层在拉伸过程中易出现附着力差、脆性开裂以及整体失效。

为解决这一难题，北京服装学院陈莹副教授、闵胜男副教授科研团队提出了一种基于亚表层结构调控的导电纱线构筑策略。团队在聚氨酯(PU)纱线上原位生长 FeOOH 纳米支架，并结合预拉伸结构，使导电材料聚吡咯(PPy)能够沿表层至纱线内部均匀分布，形成表面微裂纹—界面褶皱结构—内部渗透层的应变自适应层级导电网络。实验结果显示，该优化导电纱线达到了灵敏度为 3.71×106 和拉伸检测范围 0-310%，显著突破了传统纤维传感器在灵敏度与量程之间的性能权衡。此外，该纱线能够高效监测人体动作及脉搏、吞咽等微弱生理信号，展示出在智能健康监测和可穿戴设备领域的应用潜力。

二、内容简介

本研究通过在PU纱线上原位构建 FeOOH 纳米支架，并结合预拉伸设计，成功实现PPy沿纱线表层至内部的均匀分布。研究不同纱线材料、 六水氯化铁(FeCl3·6H2O)和吡咯(Py)浓度、预拉伸种类和预拉伸率等参数对纱线的影响，设计正交实验得出最优的参数组合，并对其导电和传感机理进行讨论，最后探索纱线在实际生活中的应用。

三、图文解析

制备流程

图1. PU/FeOOH/PPy的制备与结构表征 (a) PU/FeOOH/PPy的制备工艺示意图，包括预拉伸、FeOOH生长、PPy涂层及释放步骤。(b) 不同预拉伸方式示意图。(c) PU、PU/FeOOH及PU/FeOOH/PPy图像。

FeOOH作用

FeOOH 作为纳米支架不仅诱导 PPy 从表面向内部形成稳定梯度分布，还能增强界面结合、分散应力并保护纱线结构，从而提升整体导电稳定性与耐久性。

图2. PU/PPy和PU/FeOOH/PPy纱线的结构比较和应变传感性能 (a–c) PU/PPy和PU/FeOOH/PPy图像。(d) PU/PPy和PU/FeOOH/PPy纱线的表面电阻和增重比的比较。(e) PU/PPy和PU/FeOOH/PPy纱线在0-400%应变范围内的应变-电阻响应。(f) 低应变区域(0-100%)的放大图。

图3. SEM图像 (a-c) PU的表面和横截面形态。(d-f) PU/FeOOH的表面和横截面形态。(g-i) PU/PPy的表面和横截面形态。(j-l) PU/FeOOH/PPy的表面和横截面形态。

图4. PU/FeOOH/PPy的横截面和纵截面EDS图 (a) 横截面的SEM图像。(b-f) 横截面的元素图(叠加，N、Fe、Cl、O)。(g) 纵截面的SEM图像。(h-l) 纵截面的元素图(叠加，N、Fe、Cl、O)。

不同参数探究和正交实验

图5. 不同FeCl3·6H2O浓度制备的PU/FeOOH/PPy性能。(a) 不同FeCl3·6H2O浓度合成的PU/FeOOH/PPy纱线表面形态的图像。(b) PU/FeOOH/PPy纱线的表面电阻和增重率随FeCl3·6H2O浓度的变化。(c–d) PU/FeOOH/PPy纱线在0–600%和0–100%应变范围内的应变传感行为。

图6. 不同Py浓度和反应时间的PU/FeOOH/PPy。(a) 增重率和表面阻力。(b) 伸长率和断裂强度。(c) 0-300%和0-100%的应变传感行为。(d) 表面电阻。(e) 0-300%的应变传感行为。(f) 0-100%的应变传感行为。

图7. PU/FeOOH/PPy在不同预拉伸下的性能。(a) 表面电阻。(b) 伸长率和断裂强度。(c) 0-600%时的应变传感行为。(d) 0-200%的应变传感行为。(e) 0-120%的全拉伸应变传感行为。(f) 0-40%时的全拉伸应变传感行为。

传感器性能和耐用性传感性能评估

图8. 传感器性能。(a) 手动拉伸下传感器图像。(b) 0-300%范围内的应变传感行为。(c) 相对电阻变化的拟合曲线(ΔR/R₀) 作为应变的函数。高决定系数(R²)表明拟合精度。(d) 20%应变下10000次拉伸循环测试。(e) 40%应变下不同拉伸速率下的循环传感行为。(f) 迟滞性测试。(g) 反应时间测试。(h) 传感器的响应时间测试。(i) 灵敏度和传感范围与过去两年相近报告的工作进行比较。

图S8. 10000次拉伸循环前后PU/FeOOH/PPy表面的SEM图像。(a-c) 拉伸前；(d-f) 拉伸后。(红色圆圈表示的微裂纹。)

传感机理

图9. 纱线传感模型。(a) 拉伸应变建模。(b) 原位扫描电镜(500×)。(c) 原位扫描电镜(1000×)。

图S11. 不同拉伸应变下PU/FeOOH/PPy纱线的表面形态和微裂纹演变：(a) 0%, (b) 30%, (c) 60%, (d) 100%应变。红色标记表示纱线表面微裂纹的分布。(e) 不同应变下微裂纹的总面积比。(f) 微裂纹率、应变敏感性和拉伸应变之间的相关性。

实际应用

图10. 模拟模拟传感器在瑜伽中的应用。(a) 吞咽。(b) 说数字“1、2和3”。(c) 手肘弯曲。(d) 手指弯曲。(e) 脉搏跳动。(f) 膝盖弯曲。

四、小结

在本研究中，我们通过创新地将FeOOH纳米支架与预拉伸策略相结合，开发了一种基于聚氨酯导电纱线的高性能应变传感器。亚表面工程策略使得能够构建一个应变自适应的分级导电网络。通过正交实验的系统优化，我们获得了最佳参数(FeCl3·6H2O浓度：120 g/L，聚吡咯(Py)与纱线质量比：6.5:1，预拉伸比：35%)，从而实现了具有宽范围(高达310%应变)和超高灵敏度(应变系数为3.71×106)的卓越传感性能。通过原位扫描电子显微镜阐明的传感机制表明，在低应变下，传感机制主要由表面微裂纹扩展主导，而在大应变下，则依赖于内部导电网络。最后，该传感器有效地监测了各种人体运动和生理信号，展示了其作为可穿戴健康监测和智能纺织品多功能平台的潜力。

原始链接：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2025.111457.