《Nature》子刊：多功能热电纤维实现感知供能一体化

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电子器件的微型化和集成已经使可穿戴技术取得了重大进展，例如电子皮肤和基于纺织电子。特别是由功能性纤维和微电子系统集成的智能纺织品，由于其透气性，亲和性和不易察觉性而受到了更多的关注。纺织电子产品因为其穿戴舒适性和可编程性有望给给未来可穿戴应用带来革命性变化。大量具有研究前景的热电可穿戴设备已经被广泛的应用于绿色能源回收，并且和无处不在的传感器相连。但是，现有的商业TE材料价格昂贵，并且沉重易碎，一般也只能加工成块状材料，有限的加工尺寸和机械柔性的繁琐p/n结组装阻碍了TE纺织的实际应用。

新加坡国立大学Ghim Wei Ho课题组提出了一种胶体凝集挤出TE纤维的技术，该技术可以制备出机械坚固和柔韧的TE纤维，并且工艺简单可控有工业可扩展性。利用亲水胶体结构网络及其流变特性的优势，非均匀粒子在连续基体中的优越约束，产生了高度均匀，界面结合良好的交替p/n片段。这种连续排列的p/n型TE纤维极大的降低了纺织电子在集成方面的复杂性，也为多功能器件提供了可能，包括非平面上的能量采集，多像素的触控面板用于书写和通信。该研究以题为“Scalable thermoelectric fibers for multifunctional textile-electronics”的论文发表在最新一期《Nature Communications》上。

制备工艺和器件结构

Figure 1.胶态胶凝挤出工艺。

通过连续交替挤压工艺制备了由单壁碳纳米管(SWCNTs)和聚乙烯醇(PVA)水胶体组成的柔性TE纤维。(Figure 1.a,b)凝胶凝固后的流变性能表现出较高的G’ 和G’’ ，增幅约为3个数量级。除了胶体的多种可调性之外，另一个显著的优点就是溶剂的迁移受到PVA聚合物网络的限制。交替挤压的凝胶，可以保证p/n界面在沿轴向持续的压应力和剪应力作用下也有清晰的界限。(Figure 1.c)

纤维的力学性能和TE性能

Figure 2.高强度、高柔韧性的可伸缩纤维

该工艺绕过了传统有限规模p/n型TE纤维的艰苦合成和装配，论证了米级连续TE纤维数字化制造的可行性。(Figure 2.a)该纤维具有优先的机械性能，不论掺或不掺PEI都能承受超过20MPa的高抗张强度。并且相邻的p/n片段之间的结合也非常牢固，可以承受500g的重物。(Figure 2.b)在打成各种结的情况下，纤维也保持了令人满意的电学鲁棒性。调控PEI和SWCNT的比例可以决定片段多数载流子，从而轻易的形成P型或者N型的半导体。复合材料的电阻随着PEI含量增加而增加，高的塞贝克系数有助于温度梯度感应，选择25%的配比平衡TE纤维的电压和电流。TE纤维的电压和电流都随温度差线性增加。(Figure 2.d,e)

TE纺织品的保形热能收集

Figure 3. 柔性TE织物收集热能

交替p/n型分段TE纤维可以编织成柔性织物，p/n单位电串联，类似于商业TE发电机，已被证明是一种有效的设计。(Figure 3.a)使用相同的p/n单元确保连续的pn结在冷热表面之间交替，同时使载流子在纤维上沿着相同的方向运动实现电压/电流倍增。(Figure 3.b)对于单个p/n单元，电压和电流都随着衬底温度从高于环境温度的5℃到20℃的升高而单调增加。(Figure 3.c)与单根光纤相比，编织后的平面器件电压放大了约33倍，而电流却保持不变，显示了倍增效果的同时还证明该工艺下的纺织品对于非平面的适应性。(Figure 3.d,e)

用于光，热感应的TE纺织品

Figure 4用于触摸屏和通讯的TE纺织品

利用连续p/n单元的TE纤维的优异的机械性能，10根TE纤维很容易织成一块十字绣。(Figure 4.a)当一个特定的节点接触一个热对象时，接触点显示的温度比的相邻节点高得多，在22°C的环境温度下，研究了不同温度接触时的信号强度。电压信号与物体温度的对应且接近线性，为触控定位奠定了基础。(Figure 4.b,c)通过5×5像素的触摸面板，进一步实现了手写字母的输入。(Figure 4.d,e)得益于碳材料优越的吸光能力，光照时纤维容易升温。光热效应将在光照区和非照射区之间产生温度梯度，从而产生电信号。利用光热传感特性，在立方体的六个面上构建TE光纤，成功实现了光通信，准确感知入射光的方向。(Figure 4.f,g,h)

多任务机器人的模块化TE纺织品

Figure 5. 机器人手臂穿着模块化的TE服装，完成多项任务。

机器人手臂分别由TE-fiber手套，腕带和袖子呈现出热/冷感知能力，光敏性和能量收集能力。这种适合人体热量收集的纺织品还可以扩大规模，集成到其他可穿戴的自供电系统中，为电池充电或直接为电子设备供电。有了这样一套TE纺织品，机器人就可以进行多任务处理，而不仅仅是感知和能量收集。

总结

作者开发了一种将SWCNT/PVA组成的TE纤维凝胶通过挤压成型的技术，这些纤维由连续的p/n结均匀的组成。基于这种p/n型TE纤维，作者还制备了不同构型的纺织品，并实现了多功能集成，包括光和热的感应以及能量的收集。通过给机械手臂穿戴不同功能的模块化TE编织品，赋予了机械手臂环境感知和自供电的能力。这种制备方法也同样适用于其他TE材料和聚合物，这为TE纺织品的制造提供了一个新的方向，也揭示了下一代高科技纺织电子的广阔前景。

来源：高分子科学前沿

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