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  柔性導電纖維作為一種新型功能材料，因其卓越的性能，在傳感器、能量存儲、電磁屏蔽和信號傳輸等領域得到了廣泛應用。鎵基液態金屬（LM）具有優異的導電性、流動性和自修復能力，成為制造高柔性導電纖維的理想材料。基于直接墨水書寫（DIW）技術的同軸3D打印，能夠將兩種材料結合，精確制造具有芯鞘結構的線條，并形成復雜的三維結構，是制備同軸導電纖維的理想方法。然而，液態金屬的高表面張力和低粘度使其難以與同軸打印系統兼容，限制了打印過程中的流動性、分辨率和打印速度，從而影響了打印效果和效率。

  為克服這一挑戰，廈門大學白華教授團隊提出了一種創新的液態金屬流變學改性策略。團隊通過將硬脂酸異丙醇溶液與液態金屬相結合，成功制備了化學性質穩定的液態金屬有機高內相乳液（SALM-HIPEG）。這種乳液不僅適用于獨立的直接墨水書寫（DIW）3D打印，還能作為內芯油墨應用于同軸3D打印。該研究整合了多種熱固性鞘層油墨，能夠制造出具有可調節芯直徑、高分辨率和快速3D打印能力的同軸導電纖維。這些高彈性纖維在可穿戴電子產品、電磁信號傳輸和無線電力傳輸系統中具有廣闊的應用前景。

  相關成果以“Liquid metal organic high-internal-phase emulsion for coaxial 3D printing of elastic conductive fibers”發表于《Matter》期刊。

【液態金屬有機高內相乳液的制備及性能】

  研究團隊設計了非水性的高內相乳液系統。該系統以異丙醇為連續相，硬脂酸為乳化劑，成功制備了液態金屬體積分數高達85%的有機高內相乳液。與傳統水基乳液不同，異丙醇連續相不與液態金屬發生反應，SALM-HIPE具有優異的化學穩定性。在乳液中，硬脂酸不僅作為分散劑，還在液滴表面形成潤滑層，有效減少摩擦，防止液滴間的聚結和破乳現象，從而提高了乳液的穩定性和流動性。SALM-HIPE表現出剪切稀化行為，在低剪切條件下，油墨表現為典型的粘彈性固體，儲能模量（G''''）約為4×10⁴ Pa，且具有優異的觸變性，確保了高形狀保真度和結構精度。

圖1：SALM-HIPE的制備及性能

【液態金屬有機高內相乳液的3D打印和電激活】

  SALM-HIPE能夠快速保持打印線條的形狀，成為適用于高分辨率和縱橫比的DIW 3D打印油墨，并成功打印出精細的3D結構。該系統中，異丙醇作為連續相迅速蒸發，顯著降低了電激活的閾值。在外部機械刺激（如拉伸、扭曲或彎曲）下，液滴聚結并激活電導率。SALM-HIPE能夠在平面上打印連續的導電路徑，進一步證明了其在柔性電子設備設計中的廣泛應用潛力。

圖2： SALM-HIPE的3D打印和電激活

【液態金屬有機高內相乳液在同軸打印中的流變行為】

  SALM-HIPE為同軸導電纖維的制造提供了獨特的優勢。打印過程中，SALM-HIPE通過同軸噴嘴的內通道擠出，而功能性熱固性鞘層油墨通過外通道輸送，形成以SALM-HIPE為導電內芯的同軸結構纖維。SALM-HIPE的塑性流動行為實現了穩定的內芯流動，并與多種低粘度護套材料兼容，使得打印速度可達到30 mm/s。通過調整內芯和鞘層材料的速度比，可以控制纖維的內外徑，從而滿足不同的功能需求。基于體積守恒，開發了預測模型，驗證了通過調整擠出速度可以實現寬范圍的纖維尺寸調節。該模型提供了靈活的工藝窗口，以滿足電阻調制和機械增強等不同功能需求。

圖3：SALM-HIPE在同軸打印中的流變行為

【彈性導電纖維的制備及其性能】

  在研究中，使用SE 1700/PDMS 184復合材料作為鞘材料，制備了不同芯徑（0.2-0.7 mm）的纖維，所有纖維的斷裂強度超過5 MPa，伸長率大于200%。纖維的電阻隨著芯直徑的增加而降低，但電導率保持穩定，達到6×10⁵ S m^?1。進一步研究表明，纖維在機械變形下的電響應穩定，電阻隨應變增加，且在高應變下具有優異的彈性和抗疲勞性能，纖維可連續印刷超過10 m，并成功驅動LED電路。

圖4：彈性導電纖維的制備及其性能

【基于彈性導電纖維的3D打印集成結構】

  同軸3D打印技術不僅能制造單一的彈性導電纖維，還能精確構建由導電纖維組成的復雜3D結構。打印的可拉伸導電交織網絡在3 V電壓下成功驅動LED，且在水中和洗滌劑中的反復拉伸循環測試未出現機械故障或導電性下降，證明其在惡劣環境中的堅固性和可靠性。打印的可拉伸線圈在不同磁體速度下產生有效的感應電動勢（EMF），并能通過壓縮產生不同的電信號，展現出在電磁能量收集和應變傳感中的潛力。結合其在無線能量傳輸系統中的應用，打印的彈性線圈能夠通過無線方式收集能量為LED供電，證明了其在復雜和動態環境中的適應性和電氣可靠性。這些結果突顯了該技術在智能紡織品、可穿戴電子和無線電力傳輸系統中的巨大應用潛力。

圖5：基于彈性導電纖維的3D打印集成結構

  原文鏈接：Liquid metal organic high-internal-phase emulsion for coaxial 3D printing of elastic conductive fibers - ScienceDirect

  https://www.cell.com/matter/abstract/S2590-2385(25)00559-4