基于液态金属的纤维复合材料应用研究进展
《精细化工》
2024年 41卷
第9期
中图分类号：TS102.6；TB33
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摘要
液态金属（LM）是一种兼具导电性与流动性的功能材料，因其优异的电导率以及形变能力而获得广泛关注。纤维材料作为常见的柔性基底，因其良好的可拉伸性、透气性以及可编织等特点，已在众多领域展现出广阔的应用潜力。为了解决电子元器件柔性差，难以满足可穿戴、智能化要求，从基体和导电材料出发，利用纤维材料的可拉伸变形、柔性等优势与LM 的高导电、室温流动性等特点，制备的LM 基纤维复合材料已广泛用于人体运动监测、储能等领域。该文从化学稳定性、电性能及热性能方面总结了液态金属基纤维性能调控策略；重点阐述了LM 基纤维复合材料在柔性传感、电磁屏蔽、能量收集与存储方面的研究进展；最后，对其性能改善及当前研究中存在的问题提出了建议，并对未来发展方向进行了展望。
关键词: 纤维材料 液态金属 传感器 电磁屏蔽 能量收集与存储
液态金属（LM）是指在室温或更高一些温度下呈液态的金属，其既有液体的流动性，又具备金属的导电性，是一种物理化学性质独特的功能材料 。常见的室温LM 有汞（Hg）、铷（Rb）、铯（Cs）、钫（Fr）和镓（Ga），其中，Hg 是生活中最常见的LM，但Hg 的剧毒和易挥发等特征限制了其发展 ；Fr 和Cs 具有放射性，Rb 在与空气接触时会发生爆炸反应，因此这些材料不适用于实际工作 。相比于其他LM，Ga 具有低毒性、不易挥发、稳定化学性质等特性。常见的2 种Ga 基LM 是镓铟合金（EGaIn，Ga、In 质量分数分别为75%、25%，熔点为15.7 ℃）和镓铟锡合金（GaInSn，Ga、In、Sn质量分数分别为68%、22%、10%，熔点可达0 ℃以下），且Ga 基LM 的熔点可以通过改变组分质量分数来调整 。此外，即使在液相中，这2 种合金也表现出典型的金属性质，由于这些独特的性质，近年来Ga 基LM 的研究备受关注，并取得了一些重大突破，目前已在柔性电子、电磁屏蔽和储能等领域得到广泛应用 。
然而，LM 如不与其他基底材料复合对其进行良好的封装处理，在实际使用过程中极易发生泄漏、脱落及被氧化等问题。因此，将LM 与不同类型基底材料复合制备多种功能复合材料，充分展现出LM良好的生物相容性、优异的导电性和突出的形变能力，如WEI 等 不使用任何黏合剂或导电添加剂，采用抽滤成膜的方法将LM 限制在MXene 纸的基体中，制造出一种轻质、富有柔性的MXene/LM 功能纸；ZHU 等 采用静电纺丝法将LM 封装在中空碳纤维中，作为锂离子电池的独立阳极；WANG 等 直接将碳纳米管（CNT）、LM、聚二甲基硅氧烷（PDMS）机械混合，固化后得到CNT/LM/PDMS复合材料，用于电磁屏蔽等。其中，纤维材料因其良好的可拉伸性、易于变形以及可编织或针织成智能织物等独特优点被认为是出色的基底材料之一，引起了高度关注 。通常，LM 可与各个维度的纤维材料进行有效复合。得益于LM 界面科学的进步，LM 涂层既可以轻易涂覆在不同纤维表面，如棉、聚酯纤维等，还可以结合微流控技术将LM 作为芯层注入中空纱线中，用于制备柔性传感器 。此外，LM 通过机械混合或超声波处理，能够均匀地分散到未固化的聚合物中，利用同轴湿法纺丝制成内部嵌有LM 的纤维或利用3D 打印技术在织物表面进行LM图案化印刷 ，形成高拉伸性、可调节导电和导热等特性的智能纤维材料 。上述研究表明，LM 基纤维复合材料在不同领域均呈现出巨大的应用潜力。
本文首先介绍LM 基纤维复合材料在化学稳定性、电性能、热性能方面的调控策略，总结LM 基纤维复合材料的研究状况，包括在传感、电磁屏蔽、能源储存与收集等方面的应用进展，最后对改善其性能，拓宽其应用领域进行展望。
1 液态金属基纤维复合材料性能调控策略
1.1 化学稳定性
基于Ga 的LM 在空气中很容易被氧化，在表面形成一层薄的氧化膜（Ga 2 O 3 ）。Ga 2 O 3 会降低LM的表面张力 ，使其黏度增大，严重影响LM 的流动性和化学稳定性。
QI 等 首先在低浓度海藻酸钠溶液中超声处理LM，海藻酸钠的羧基与Ga 3+ 配位形成的微凝胶壳包裹EGaIn，获得LM 微/纳米液滴，然后与高浓度海藻酸钠溶液机械混合以增强LM 分散液的可纺性，最后湿法纺丝制得LM 基海藻复合纤维。湿法纺丝过程中，以CaCl 2 溶液为混凝液，Ca 2+ 作为交联剂与海藻酸钠的羧基进行混凝，使海藻酸钠分子结合在一起，形成牢固的凝胶纤维。双金属离子（Ga 3+ 和Ca 2+ ）的交联保证LM 微/纳米液滴45 d 不被氧化，提高了LM 液滴的化学稳定性。
除上述方法外，机械烧结法很容易破碎LM 液滴的绝缘外壳 [14-15] 。JIA 等 采用简单的机械压实技术，使LM 液滴的氧化壳破裂，促使它们合并以实现金属导电性。通过强酸（盐酸）、强碱（NaOH）处理，也可以将氧化膜去掉，有效克服LM 的氧化问题 。
1.2 电性能
LM 具有优良的导电性，GaInSn 的电导率为2.30×10 6 S/m，而 EGaIn 的电导率高达 3.40×10 6 S/m 。在一定的应变下，EGaIn 的导电能力甚至高于Ag 纳米线和CNT ，但其电导率低于Al和Cu，TANG 等 在LM 中掺入金属粉末（如Cu），可显著提高EGaln 的电导率。
ZHENG 等 报道了一种基于LM 颗粒和聚偏氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯（PVDF-HFP-TFE）三层同轴湿法纺丝的方法，可连续制得高导电且在应变状态下电阻保持稳定的弹性LM 芯鞘纤维。与之前制备的应变不敏感纤维导体相比，由于LM 异常的体积膨胀行为，在低温下膨胀而不是收缩，液氮冷冻引起的相变可以帮助LM 颗粒穿透氧化物，激活纤维内部导电路径，并且拉伸、压制、扭曲和弯曲等重复变形不会导致其电性能显著下降。因此，在LM 中掺杂其他高电导率材料、利用LM 固液相变破坏氧化膜，可将分散的LM 颗粒相互连接，形成导电通路，降低复合材料的电阻，从而改善LM 基纤维复合材料电性能。
1.3 热性能
Ga 基LM 的热导率高达16.5 W/(m·K)，良好的导热性使LM 在提高复合材料热导率、制备热界面材料、热管理方面具有潜在的应用价值。
ZENG 等 通过重复压缩的方法将金刚石颗粒与Ga 基LM 表面的Ga 2 O 3 强制润湿，然后加入碳纤维机械混合，制备出LM 基纤维复合材料。以LM为连接相，可实现各向异性的碳纤维与各向同性的金刚石之间互连，降低碳纤维在LM 中的各向异性效应，增强碳纤维的轴向导热率，以提高复合材料的导热性能。当金刚石的体积分数为50%时，获得的二元复合材料（LM/金刚石）最高热导率为87 W/(m·K)。当碳纤维的体积分数为5%、金刚石（直径为50 μm）的体积分数为40%时，获得的LM/金刚石/碳纤维复合材料最高热导率可达129 W/(m·K)。
除此之外，KHAN 等 发现，在LM 中加入其他导热材料可提高其传热效果，进而改善LM 基纤维复合材料的热管理性能。其中，CNT 颗粒对LM传热性能的影响最显著，加入CNT 的LM 传热系数高达1×10 5 W/(m 2 ·K)，比加入Al 2 O 3 、Cu 和金刚石纳米颗粒分别高12.48%、9.48%和8.79%。
2 液态金属基纤维复合材料的应用
2.1 在柔性传感器方面的应用
以纤维材料为基底制成的传感器具有良好的变形能力，能更好地满足人体基本运动需求 。加入LM 后，传感设备在灵敏度和精度方面均有显著提高，因此将纤维材料与LM 结合是制备柔性传感器件的重要策略之一 。LM 的引入通常有2 种方式，一是在纤维中填充LM [25-26] ；二是直接在纤维基材上打印金属墨水 。制备方法主要包括湿法纺丝 [28-31] 、中空填充 [32-33] 、注射法 [34-35] 、涂覆法 [36-38] 、3D 打印 等。此外，可以通过针织、刺绣等纺织工艺将LM 与制备好的纤维和织物组装在一起，作为智能传感设备的功能部件 。
2.1.1 与纤维结合
COOPER 等 受DNA 双螺旋模型启发，在弹性聚合物纤维中注射EGaIn 后，将2 根纤维缠绕成双螺旋结构，以创建扭转和应变传感器，如 图1 a 所示。
图1 2 根直径为850 μm 的扭曲纤维照片（a）
当螺旋纤维被扭曲或拉伸时，它们之间的接触面积增大，电容发生变化（ 图1 b）。这种传感器可以检测到高达800 rad/m 的扭矩，比之前传感器的检测限高出2 个数量级，解决了传感器检测限范围问题，但提高设备循环使用性能也至关重要。MA 等 设计出一种可拉伸导体，将LM 涂覆或打印在静电纺丝苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）制成的弹性纤维网上，记为LM 纤维垫（LMFM）；弹性纤维网之间的LM 经过拉伸工序后，形成横向多孔、纵向弯曲的结构（ 图1 c）。LMFM 在10000 次拉伸测试中可保持超弹性（超过1800%应变）和超高导电性（高达1.8×10 6 S/m）。此外，该材料的透气性极好，经过一定次数的拉伸，LMFM 会自动形成一些孔隙结构，且生物相容性优良，可直接在人体皮肤上使用。
目前，对于传感器的研究主要集中在日常生活的应用中。如水下作业通常伴随着大幅度的肢体运动，且长时间的低温环境会加速人体热量流失，时刻威胁人的生命安全。因此，开发出适用于水下的人体健康监测设备迫在眉睫。如 图1 d 所示，QI 等 采用LM 和聚氨酯（PU）双低模量材料，通过同轴湿法纺丝工艺，制备出一种基于LM 的可拉伸芯-鞘结构纤维（LM@PHF x ），其中，PHF 为PU 中空纤维， x 为芯层通道流速，将芯层通道流速分别为0.01、0.05、0.10、0.15、0.20 mL/min 制备的样品分别命名为 LM@PHF 1 、LM@PHF 2 、LM@PHF 3 、LM@PHF 4 、LM@PHF 5 。LM@PHF x 在水下也具有良好的传感性能；外层PU 自身有极好的拒水性，芯层LM 被封装在内部，既防止了LM 的泄漏，又可避免在水下使用时发生短路。该纤维具有优异的比电阻（~0.05 Ω/cm），对应变（~600%伸长率）和压力（~30 MPa）的传感检测范围较宽，响应时间较快，只需30 ms（ 图1 e~h）。
2.1.2 与纱线结合
DOU 等 基于LM/中空硅胶管/CNT 聚酯纱（PET）（LTCPY）的摩擦纺纱法制备了传感器，具有新颖的分层和同轴纱线结构（ 图2 a），多层复合纱线展现出较宽的应变范围（0~300%）和超高的电导率（3.78×10 5 S/m）。
图2 LTCPY 传感器的制备过程示意图和形貌（a）
LM 在内层作为大拉伸条件下的稳定弹性导体，当纱线拉伸到250%应变时，其电导率仍保持在较高的水平。电导稳定性和良好的传感性能相结合，有助于LTCPY 作为可穿戴传感器来监测人体活动。此外，LTCPY 可以很容易地编织到织物中，而且兼备出色的可洗性。
为提高材料的结构稳定性，该团队在分层纱线结构的基础上设计出一种 LM 基双螺旋包芯纱（DHCY） ，实现了柔性纱线传感器的大规模生产，如 图2 b 所示。该传感器具有高柔韧性、灵敏度和耐洗性的综合优势，同时，还具有高耐用性，6000次循环后电容变化表现出对循环应变的稳定响应；当用于人体运动监测时，传感器可以精确地检测并区分与膝盖弯曲相关的不同运动，展现了其在全方位人体运动检测方面的巨大潜力（ 图2 c~e）。此外，由于静电感应效应，所得产品可以用作非接触式传感器；基于不同的感应电压，传感器能够在无接触的情况下检测其与手掌的接近程度，如 图2 f 所示。当手与纱线之间的距离增加时，输出电压急剧下降，展现出优异的灵敏度和精确度。
2.1.3 与织物结合
WANG 等 将LM 液滴涂覆在静电纺丝热塑性聚氨酯（TPU）纤维薄膜上，制备了柔性LM-TPU 3D导电薄膜，如 图3 a 所示；TPU 纤维之间的LM 在预拉伸激活后自聚成网状结构（ 图3 b、c）。LM-TPU复合薄膜柔性器件可拉伸范围很广（0~200%），并且在拉伸变形时仍具有较高的灵敏度及出色的稳定性和耐久性（9000 次循环）。此外，LM-TPU 复合薄膜可直接贴附于皮肤，展现出优异的生物相容性。这种基于LM 的织物传感器可以实时监测人体肌肉和关节运动，在医疗保健等方面具有广阔的应用前景。
图3 柔性LM-TPU 复合薄膜的制备示意图（a）
除上述提到的静电纺丝法外，GUO 等 根据半LM（Cu-EGaIn，共晶Ga 与Cu 微粒混合）在棉织物和聚乙酸乙烯酯（PVAC）胶膜上的黏附差异，提出了一种可穿戴电子器件的辊印制备技术；为提高器件的稳定性和防水能力，在Cu-EGaIn 表面覆盖一层弹性胶膜（Ecoflex）（ 图3 d）。在Cu-EGaIn 混合物和PVAC 胶的协同作用下，织物显示出较大的可拉伸长度，并可大面积集成在智能服装上（ 图3 e、f）。如 图3 g 所示，当Cu-EGaIn 线的扭转角度为0°~180°时，对其电阻影响不显著，仅有轻微变化（ R / R 0 =1.03），展现出良好的稳定性。此外，在同一应变不同频率下（20%应变；0.25、0.50 和1.00 Hz）和不同应变（0~75%）下均表现出显著的稳定性（ 图3 h、i）。
目前，尽管LM 基纤维传感器解决了机械强度和传感灵敏度、稳定性之间的挑战，但作为可穿戴人体活动监测器件，提高材料整体的透气性、耐洗性和穿着舒适性尤为关键；另外，现阶段对LM 基纤维传感器的研究主要集中在压力传感，限制了其应用范围，应当拓宽智能感应领域，探索其在温度、生物传感器等方面的潜在价值。
2.2 在电磁屏蔽方面的应用
兼备导电和导热功能的金属是实现优异电磁干扰（EMI）屏蔽的首选材料，但密度大、抗氧化性能差、加工难度大等问题限制了其实际应用。此外，在恒定变形下与其他导电物质复合的EMI 屏蔽材料的导电网络易受到破坏、导电性降低，致使屏蔽效果下降 [45-46] 。近年来，LM 导电网络拥有良好的连通性，具备优异而持久的EMI 性能，在EMI 屏蔽领域显示出巨大的应用潜力。
JIA 等 通过设计可变形的LM 涂层和PDMS保护层，开发了一种可伸缩的导电纺织品（CT）用于EMI 的有效屏蔽（ 图4 a~b）。PDMS-LM/纺织品（Textile）在拉伸时表现出优异的导电性和良好的变形能力，所得到的PDMS-LM/Textile 在厚度仅为0.35 mm 时，EMI 屏蔽效率（EMI SE）良好，为72.6 dB，在30%和50%的应变下分别保持66.0 和52.4 dB的EMI SE。同时，在5000 次拉伸-释放循环后，30%和50%应变下相应的EMI SE 保留率分别为91.7%和80.3%，具有较强的EMI 屏蔽能力和稳定的EMI SE。反复的机械变形实验证明了其良好的EMI 屏蔽耐久性，可保证长期使用。此外，如 图4 c 所示，WANG等 提出了一种结合多层喷涂和机械压缩的制备策略，用于LM 和CNT 装饰的多功能棉织物（CF/LM/CNT）的合成。LM 在辅助机械压力下浸渍到纱线中，不仅填充了纤维间的空隙，还形成了导电性较高的LM 网饼状结构，使CF/LM/CNT 具有极高的导电性，仅在20 μm 厚度时，EMI SE 就达到68 dB（ 图4 d、e）；更重要的是，制备的CF/LM/CNT 能够被回收和重新利用（ 图4 f、g）。
图4 PDMS-LM/Textile 的制备过程示意图（a）及其电磁屏蔽效果数码照片（b）
LM 是一种EMI 屏蔽效果非常好的材料，其固有的高密度以及优异的电子传输性能，可吸收大量的电磁波；氧化膜破裂后的LM 颗粒连接在一起，形成大面积的导电通路，可进一步抑制电磁污染，实现电磁屏蔽的目的。此外，LM 的重新循环利用解决了电子垃圾的回收问题，为今后可回收电子产品的开发提供了新策略。
2.3 在能量收集与存储方面的应用
传统能源的日益匮乏和环境的日益恶化极大地促进了新能源的发展。LM 电化学性能稳定，且易于获得，被认为是可应用于储能领域一个有前途的解决方案 。目前，LM 已在摩擦纳米发电机、锂离子电池以及超级电容器等方面具有广泛应用。
2.3.1 摩擦纳米发电机
摩擦纳米发电机（TENG）具有质量轻、体积小、结构简单、集成度高等优势 。此外，TENG可以有效地从不规则和低频的人体运动中获取能量，为可穿戴电子设备提供可行的动力策略。LM完美结合了液体的形变能力与金属的导电能力，通过对LM 电极结构、纤维材料形状及两者结合方法的设计，可提高LM 基纤维复合材料在TENG 方面的应用性能。
QI 等 将LM 与海藻酸盐湿法纺丝，制备了可工业化生产的LM/海藻酸盐复合纤维（ 图5 a）。
图5 LM/海藻酸盐复合纤维的湿法纺丝工艺示意图（a）
双金属离子（Ga 3+ 和Ca 2+ ）交联赋予LM 颗粒均匀分散的特性，并提高了LM 液滴的稳定性。LM/海藻酸盐复合纤维和PDMS 分别作为2 个摩擦材料层，组装的TENG 最大输出电压可达到198 V，且具有优越的稳定性，可点亮数10 个“LM”图案的LED 灯泡，显示出强供电能力，适用于移动设备、有线和无线电力传输系统。
但仅通过对机械能的能量转化，TENG 的自供电效率过低，难以满足多个电子设备的能源供给需求。因此，开发一种能够采集不同环境能量的单一能量收集器，对自供电电子设备是有必要的。LI 等 提出了一种基于物理互锁结构的可拉伸纳米纤维材料的加工方法，通过同时静电纺丝聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）纳米纤维和静电喷涂苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯三嵌段共聚物（SEBS）微球来实现纳米纤维网络与弹性体微球的原位同步自组装，制得了可拉伸、透气和防水的纳米纤维（PHS）膜。以PHS 为摩擦起电层、LM-银片-SEBS 印刷可拉伸导体为电极、SEBS/织物为基底，开发出高性能可拉伸 SNF-TENG，其实现了机械能、水能收集及自供电一体化（图 5b~d）。该 SNF-TENG在0~125%拉伸条件下的输出电压达到85~160 V，短路电流达到 4~7 μA ， 峰值功率密度为219.66 mW/m 2 ，能够为200 个LED、电子手表等器件供电（ 图5 e）。
与印刷工艺相比，在纤维中注射LM 制得的电子器件更适合检测轴向拉伸和径向挤压引起的变形。LAI 等 用注射器将EGaIn 注入熔融纺丝制成的SEBS 中空纤维中，得到一种可以收集机械能和电磁能的多功能LM 纤维（ISLMF），用于可穿戴电源和自供电电子器件，如 图5 f 所示。该团队证明了一根纤维同时具有超高的拉伸性（>650%的应变）和从2 个来源获取能量的能力。相对于之前报道的基于硅橡胶、氨纶的TENG 纤维和基于有机硅（聚二甲基硅氧烷/尿素）共聚物的TENG 纤维，ISLMF的拉伸性更高。此外，该TENG 装置收集机械能后输出的开路电压（ V oc ）和最大峰值功率分别达到160 V 和360 µW/m（ 图5 g~h）。同时，在200%应变下经过数千次拉伸循环后，该装置仍能保持稳定的电压输出（ 图5 i）。在60 Hz 交流电源频率下，基于ISLMF 的TENG 从附近笔记本电脑中收集电磁能的输出开路电压、短路电流（ I sc ）和最大峰值功率分别为8 V/m、1.4 µA/m 和8 µW/m（ 图5 j、k），可成功地为便携式电子产品供电。
2.3.2 锂离子电池
锂离子电池（LIBs）兼备能量密度高、结构稳定性好、循环寿命长等优点 [51-52] ，是目前应用最为广泛的新能源器件之一。室温下LM 的自修复性能可减轻LM 纳米颗粒（LMNPs）在锂化/脱锂过程中体积膨胀/收缩变化，提高电化学性能，因此引起了广泛关注 。
陈玉等 用静电纺丝法将液态镓锡（GaSn）合金束缚在纳米纤维内部以及纳米纤维的网络结构中。结果表明，液态GaSn 合金可均匀地分散在碳纳米纤维的空间结构中，同时GaSn 合金被超声成小液滴，有利于电极材料更好地发挥自愈性。100圈充放电循环测试后，电池的容量保持率达94.8%。ZHU 等 通过同轴静电纺丝和炭化工艺合成了自愈合核-壳纤维，聚丙烯腈（PAN）和苯乙烯-丙烯腈共聚物（SAN）静电纺丝制备的中空碳壳层纤维包裹着LMNPs（LMNPs@CS 纤维）作为LIBs 的独立负极（ 图6 a、b），其独特的核-壳结构和外壳内部的多孔结构减轻了LMNPs 在锂化/去锂化过程中的体积变化。由 图6 c~e 可以看出，LMNPs 被成功封装在纤维芯部。这种负极材料表现出优异的速率能力和高度稳定的循环性能，在1.0 A/g 电流密度下循环1500 次后的放电比容量为552 mA·h/g，如 图6 f、g所示。
图6 LMNPs@CS 纤维静电纺丝步骤（a）、炭化步骤和电化学过程（b）、剖面SEM 图（c、d）
2D 平面结构对限制电池充放电过程中LMNPs的体积变化有一定的局限性，YU 等 通过将EGaIn包裹在碳纳米纤维/碳纳米管纸基体中（CNF/CNT@EGaIn），制备了3D 独立电极（ 图6 h~j）。这种网络结构为电子和离子提供了有效通道，也提供了足够的空间来容纳EGaIn 的体积膨胀，致密的CNT 层在防止EGaIn 脱落方面起着重要的作用。获得的CNF/CNT@EGaIn 具有良好的离子/电子导电性和机械稳定性，在电流密度1.6 A/g 时的比容量为351 mA·h/g，在800 mA/g 下循环100 次后，能保持420 mA·h/g 的可逆比容量。
2.3.3 超级电容器
相较于传统的电容器和充电电池，超级电容器由于其功率密度高、充电速度快、循环寿命长、工作温度范围广等优势，已成为有前景的移动能量存储设备 [56-57] 。而超级电容器的关键组件是电极材料，LM 可抑制电极材料表面的枝晶生长，其电化学稳定性优异，在超级电容器领域应用广泛。
DUAN 等 尝试以EGaIn 和金属氧化物为原材料（二者混合物命名为OEGaIn），设计具有高柔韧性和高电容的全软光纤超级电容器，如 图7 a 所示。为了提高EGaIn 与PU 纤维之间的附着力，首先将聚甲基丙烯酸酯（PMA）涂覆在PU 纤维表面，然后在PU纤维表面涂覆EGaIn，最后将PU@PMA@EGaIn（PPE）纤维相互平行放置，并涂上聚乙烯醇（PVA）凝胶电解质形成超级电容器（PPE SCs）。
图7 PPE SCs 的结构（a）及制造工艺（b）示意图
为了获得更高的电容，在上述体系中引入金属氧化物MnO 2 和Fe 3 O 4 纳米颗粒，制备了超级电容器（ 图7 b、c），分别记为 PPE-MnO 2 SC 和PPE-Fe 3 O 4 SC。该法扩大了超级电容器的有效反应区域，利用赝电容作用提高了比电容。结果显示，PPE-Fe 3 O 4 SC 的比电容为26.71 mF/cm 2 ，其真空冷冻干燥后制备的PPE-Fe 3 O 4 SC (Vacuum)的比电容增至61.34 mF/cm 2 （ 图7 d），进一步表明了比电容大小与纤维表面粗糙度和气孔形成有关。如 图7 e、f 所示，当拉伸至120%应变时，PPE-Fe 3 O 4 SC 仍保持优异的电化学性能，超过1000 次的充放电循环后，比电容保持率（ C / C 0 ×100）仍能达到92.51%，显示出较长的循环寿命。
上述研究表明，LM 基纤维复合材料在能量存储领域具有很好的应用，但仍存在某些问题需进一步探究：（1）在电池方面，LM 自身不可控的流动性，作为电极材料与纤维复合手段过于单一，大多数为直接涂覆，导致活性物质在循环过程中可能出现脱落；（2）基于LM 的特性，超级电容器电极的柔软可拉伸特点已实现，但放电时间较短，可掺入其他导电性能较好的材料，如金属微粒，进一步提高电化学性能；（3）LM 电极TENG的发电效率不是特别高，仍有提升的空间，需进一步提高TENG 的能量转化效率，随时可以采集使用低频随机的电信号，构建发电、储电和用电一体化系统。
3 结束语与展望
近年来，基于LM 的纤维复合材料在柔性传感器、电磁屏蔽织物和储能等领域展现出巨大的应用前景。但相关研究才刚起步，今后的发展将主要集中在提升纤维复合材料的应用性能与长期稳定性等方面。针对如何改善LM 性能，拓宽LM 基纤维复合材料的应用领域，提出以下建议：
（1）分散的LM 性能极易受到周围环境（如氧气）的影响，Ga 基LM 氧化物Ga 2 O 3 的存在虽然使其可塑形能力得到了改善，但在实际应用过程中，纤维材料在拉伸后，表面高度氧化的LM 可能会致脆破裂，严重影响LM 基纤维复合材料整体的导电性能；
（2）LM 的半液体性质和巨大的表面张力会导致其液滴之间容易自聚，无法均匀分散，从而不易于LM 在纤维基材表面铺展和形成精密的图案以及有效的导电网络。同时，如果没有合适的衬底和包装，LM 易从纤维材料中脱落或发生泄漏，限制了LM 基纤维复合材料投入实际产品的应用。将LM直接注射到中空纤维中，可在一定程度上避免这一问题，还可添加一些表面活性剂、纳米颗粒等材料来改善表面张力，使其能够均匀地分布在基底上；
（3）由于成本限制，LM 与纤维材料的复合工艺研究还处在实验室阶段，今后基于LM 的柔性智能纤维复合产品亟须在规模化制备LM 纳米颗粒及低成本研发复合工艺上取得突破。
综上，目前的研究方向应着重于优化LM 的分散工艺，以满足降低成本、精准控制LM 粒径大小的制备要求。可通过对LM 氧化程度的控制，调节其表面张力和润湿性，充分将LM 基纤维复合材料的高性能、多功能优势发挥在实际应用方面，如LM基纤维传感器具有高灵敏度和柔韧性，并且与人体组织有生物相容性，有望在体内应用于检测颅内压和腹内压。另外，吸声降噪和热管理纺织品也可通过结合LM 和其他柔性纤维材料来完成。
在未来的发展中，为实现LM 基纤维复合材料在智能可穿戴领域的大规模应用，还需在已有体系深入探索的基础上，结合理论知识与实际应用，不断寻求新的性能改善方法，拓宽研究思路，使LM基纤维复合复合材料对中国高端产业发展起到积极的推动作用。
