本發(fā)明涉及可拉神電子學(xué)領(lǐng)域，更確切的講，涉及一種可拉伸的超細(xì)導(dǎo)電纖維。

背景技術(shù)：

最初的導(dǎo)電纖維是采用直徑約為8μm的不銹鋼制成。70年代各種導(dǎo)電性的有機(jī)合成纖維蓬勃興起，各種類型的導(dǎo)電纖維大量被研制開發(fā)出來。已開發(fā)的導(dǎo)電纖維主要有金屬纖維、碳素復(fù)合纖維和腈綸銅絡(luò)合纖維等。國(guó)內(nèi)使用的導(dǎo)電纖維大多是用金屬纖維或腈綸銅絡(luò)合纖維和其他纖維混紡、交織而制成的。

雖然導(dǎo)電纖維種類繁多，但是以上方法制備出來的導(dǎo)電纖維幾乎都存在著不可克服的問題，大形變與穩(wěn)定的導(dǎo)電性無法共存。因?yàn)榫筒牧蠈W(xué)來講，大形變和電阻穩(wěn)定，本就是兩個(gè)相互矛盾和對(duì)立的因素。剛性材料通常具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，但是可拉伸性能差；柔性材料形變較大，但是導(dǎo)電性極差。世界各國(guó)的研究者正在實(shí)驗(yàn)尋找既有良好的導(dǎo)電性又具有柔韌性和可拉伸性的材料。目前，獲得可拉伸導(dǎo)電纖維的方式主要有兩種：一種方法是將導(dǎo)電納米材料和彈性體混合制成復(fù)合材料，這種方法簡(jiǎn)單有效，通?？梢垣@得具有較好可拉伸性和導(dǎo)電性的復(fù)合材料。但這種方法制備出的復(fù)合材料在拉伸過程中電阻不穩(wěn)定，會(huì)增加幾倍甚至上百倍。另外一種方法是在彈性體上建造具有特殊結(jié)構(gòu)和構(gòu)型的導(dǎo)電薄膜。這種“表面覆蓋”方法可以使傳統(tǒng)的金屬材料和半導(dǎo)體材料承受一定程度的拉伸應(yīng)變并保持較穩(wěn)定的電阻。這種方法制備的導(dǎo)電彈性體材料在拉伸過程中電阻比較穩(wěn)定，只是受導(dǎo)電材料本身力學(xué)性能的限制，材料最大應(yīng)變通常小于20%。而且由于附著導(dǎo)電層薄，導(dǎo)電彈性體的電阻通常很大，且拉伸過程中電阻不穩(wěn)定，極大的限制了可拉伸電子學(xué)的研究以及該導(dǎo)電彈性體在可拉伸器件的應(yīng)用。

鑒于以上，如果可以研發(fā)另外一種方法，制備可大幅拉伸、同時(shí)導(dǎo)電性能穩(wěn)定的超細(xì)纖維，在柔性電子領(lǐng)域、可穿戴產(chǎn)品中具有巨大的應(yīng)用前景，可極大的推動(dòng)柔性電子領(lǐng)域、尤其是可穿戴電子產(chǎn)品的發(fā)展。此外，可拉伸的導(dǎo)電纖維還可應(yīng)用于其它領(lǐng)域，例如柔性顯示器、太陽能電池、健康監(jiān)測(cè)器和電子皮膚等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種可拉伸超細(xì)導(dǎo)電纖維的構(gòu)建思路和制備方法。該材料同時(shí)具有良好的可拉伸性和導(dǎo)電性，拉伸1000%的情況下電阻變化小于2%，反復(fù)使用2000次以上，性能衰減仍小于5%。

上述超細(xì)導(dǎo)電纖維復(fù)合材料的構(gòu)建，其構(gòu)成至少包含彈性芯1和導(dǎo)電層2，可包含絕緣保護(hù)層3，結(jié)構(gòu)示意圖見說明書附圖1。彈性芯采用原材熱熔后瞬間冷凝成絲方式制備而成，導(dǎo)電層在彈性芯上層層鋪疊組成。制備過程請(qǐng)參考說明書附圖2，詳情請(qǐng)見具體實(shí)施方式中的實(shí)施例說明。

本發(fā)明所述的可拉伸超細(xì)導(dǎo)電纖維，所述彈性層芯由白油與橡膠彈性體按照一定比例混合、熱熔攪拌后，用木棒以較快的速率拉出橡膠，粘附在木棒上的橡膠在拉伸過程中遇到相對(duì)低溫的空氣凝固，便形成了彈性芯；此方法生成超軟彈性芯直徑約為40-450um。使用此方法制作的彈性芯具有極好的可拉伸性能，最高拉伸系數(shù)可達(dá)10倍以上，是目前橡膠材質(zhì)中拉伸倍數(shù)最長(zhǎng)的材料之一。該彈性芯為超細(xì)導(dǎo)電纖維超大形變的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也為導(dǎo)電纖維的導(dǎo)電層提供了附著基底。

本發(fā)明所述的可拉伸超細(xì)導(dǎo)電纖維，所述導(dǎo)電層采用石墨烯、單臂碳納米管或者多壁碳納米管等先進(jìn)碳材料薄膜。石墨烯、碳納米管本身具有輕的質(zhì)量、優(yōu)異的力學(xué)性能以及極好的導(dǎo)電性，由此制備超細(xì)導(dǎo)電纖維材料不僅具有強(qiáng)韌的結(jié)構(gòu)，同時(shí)也可具備優(yōu)異的電學(xué)性能。

本發(fā)明所述的可拉伸超細(xì)導(dǎo)電纖維，制備采用“表面覆蓋”方法，將導(dǎo)電層薄膜（石墨烯薄膜或者高取向碳納米管薄膜）均勻覆蓋在大形變預(yù)拉伸的彈性芯表面（若是碳納米管，碳納米管取向平行于彈性層拉伸方向），形成層疊構(gòu)造；釋放該層疊結(jié)構(gòu)，預(yù)拉伸的彈性纖維壓縮石墨烯或者碳納米管薄膜，形成多級(jí)褶皺結(jié)構(gòu)，參考說明書附圖3收縮狀態(tài)下彈性芯和導(dǎo)電層形變示意圖，再加上導(dǎo)電層優(yōu)良的力學(xué)性能，具有可反復(fù)拉伸、可反復(fù)扭曲、可反復(fù)折彎不易損壞的特點(diǎn)。

本發(fā)明所述的可拉伸超細(xì)導(dǎo)電纖維，在彈性芯和導(dǎo)電層之上，可覆蓋一層絕緣保護(hù)層。該絕緣保護(hù)層采用超軟橡膠，該層既可以保證導(dǎo)電層在拉伸、折彎、扭曲時(shí)候不因?yàn)橄嗷クB加、解疊加而發(fā)生大的電阻變化，同時(shí)也起到保護(hù)導(dǎo)電層、增大材料機(jī)械強(qiáng)度的作用。

目前，一般的彈性導(dǎo)電纖維可拉伸幅度（即應(yīng)變范圍）通常不超過30%，本發(fā)明所述超細(xì)導(dǎo)電纖維材料應(yīng)變范圍可達(dá)到1000%，而且電阻在拉伸過程中變化率小于2%；反復(fù)使用2000次以上，性能衰減仍小于5%，真正實(shí)現(xiàn)超大形變且性能穩(wěn)定的超細(xì)導(dǎo)電纖維。

附圖說明

附圖1，（左）可拉伸超細(xì)導(dǎo)電纖維示意圖，（右）橫截面示意圖，其中1彈性芯，2導(dǎo)電層，3絕緣保護(hù)層。

附圖2，可拉伸超細(xì)導(dǎo)電纖維的制備過程示意圖。

附圖3，可拉伸超細(xì)導(dǎo)電纖維收縮狀態(tài)下彈性芯和導(dǎo)電層形變示意圖。

附圖4，相同厚度不同層數(shù)下，超細(xì)導(dǎo)電纖維的單位長(zhǎng)度電阻與拉伸長(zhǎng)度的關(guān)系，m為碳管層數(shù)。

附圖5，超細(xì)導(dǎo)電纖維在a彎曲、b扭轉(zhuǎn)、c按壓過程中電阻變化曲線圖。

附圖6，實(shí)施例最終得到的樣品實(shí)物顯微鏡放大圖。

附圖7，實(shí)施例樣品截面掃描電鏡圖。

具體實(shí)施方式

下面參照說明書附圖2對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明所述可拉伸超細(xì)導(dǎo)電纖維由彈性芯1、導(dǎo)電層2、絕緣保護(hù)層3層層鋪疊形成。詳細(xì)步驟如下：

（1）彈性芯的制備：本發(fā)明所述彈性芯由白油與橡膠彈性體按照一定比例混合，熱熔攪拌后，用木棒以較快速率拉出橡膠，粘附在木棒上的橡膠在拉伸過程中遇到相對(duì)低溫的空氣凝固，便形成了彈性芯。見說明書附圖2（a）。本實(shí)施例選用15#白油與熱塑性橡膠sebs按照5：1比例混合熱熔，熱熔溫度200攝氏度左右；將直徑為2.2mm的圓柱形木棒垂直插入熔融的橡膠中，然后以較快的速率拉出木棒，拉出的過程中，粘附在木棒上的橡膠遇到冷空氣凝固，便形成了彈性芯。實(shí)驗(yàn)人員多次試驗(yàn)證明，橡膠的熔融溫度為200c的情況下，拉扯速度大約為10cm/s,形成的橡膠芯的直徑與木棒插入熔融橡膠中的深度成線性比例，如圖2（b）所示。

本實(shí)施例后續(xù)步驟采用的超軟彈性芯直徑為250μm。

（2）導(dǎo)電層的制備：導(dǎo)電層可選擇石墨烯、碳納米管等先進(jìn)碳材料薄膜，本實(shí)施例采用碳納米管薄膜。將步驟1制備的超細(xì)彈性芯根據(jù)所需拉伸率拉伸至原長(zhǎng)的1-10倍，優(yōu)選的倍數(shù)為6-10倍，本實(shí)施例選取倍數(shù)為10倍。原直徑250μm的彈性芯拉伸10倍之后，直徑約為79μm。滴少許乙醇于彈性芯上，以利于后續(xù)導(dǎo)電層薄膜能緊密貼附在彈性芯上。待乙醇揮發(fā)后，在彈性芯之上鋪設(shè)碳納米管作為導(dǎo)電層，鋪設(shè)過程中碳納米管軸向全部平行于彈性芯軸向方向排列，如圖2（c）所示。碳管可選層數(shù)范圍1-20，最佳范圍3-7層，層數(shù)太低容易導(dǎo)致鋪設(shè)不均勻，太高會(huì)影響超細(xì)導(dǎo)電纖維的形變力度。本實(shí)施例選取的層數(shù)為6。鋪設(shè)完畢之后，在碳納米管之上滴少量乙醇，使碳納米管全部浸潤(rùn)，可達(dá)到碳納米管與彈性芯緊密貼合的作用。反復(fù)拉伸使其在沿軸及周長(zhǎng)方向發(fā)生形變，幾個(gè)循環(huán)的拉伸與收縮有助于確保纖維結(jié)構(gòu)和屬性的可逆性，如圖2（d）所示。

（3）絕緣保護(hù)層的制備：最后在導(dǎo)電層2之上再次噴涂軟橡膠制備絕緣保護(hù)層3，絕緣保護(hù)層可采用彈性較大的絕緣橡膠。本實(shí)施例采用第一步制備的彈性芯材料，制備方式采用熱熔噴涂。噴涂形成的絕緣保護(hù)層厚度一般可以達(dá)到1-100微米，本實(shí)施例噴涂厚度50微米。該橡膠層主要起到兩大作用：一是絕緣和保護(hù)作用，二是保證導(dǎo)電層2在拉伸、折彎、扭曲時(shí)候不因?yàn)樘技{米管層相互疊加、解疊加而發(fā)生大的電阻變化。

（4）至此，可拉伸的超細(xì)導(dǎo)電纖維制備完成。參考說明書附圖6樣品圖、7樣品掃描電鏡圖。

針對(duì)以上實(shí)施例補(bǔ)充說明、測(cè)試如下：

所述超細(xì)導(dǎo)電纖維的導(dǎo)電層由先進(jìn)碳材料薄膜構(gòu)成的，此處的先進(jìn)碳材料薄膜可以為石墨烯薄膜、碳納米管薄膜，可以為單壁碳納米管，亦可以為雙壁或者多壁碳納米管。薄膜層數(shù)數(shù)值越大，導(dǎo)電性能越好。請(qǐng)參考說明書附圖3相同厚度不同層數(shù)下，超細(xì)導(dǎo)電材料的單位長(zhǎng)度電阻與拉伸長(zhǎng)度的關(guān)系，圖中m為鋪設(shè)碳納米管層數(shù)。

上述步驟（2）碳納米管導(dǎo)電層的鋪設(shè)方法如下：碳納米管層由一碳納米管陣列制備得到，該碳納米管陣列需基本沿同一方向取向排列。首先，根據(jù)所需寬度采用一定寬度的膠帶或者刀片自碳納米管陣列中選取多個(gè)碳納米管一致往外拉伸，以一定的速度沿實(shí)際上垂直于碳管陣列生長(zhǎng)方向拉伸碳納米管，所述的多個(gè)碳納米管在拉力作用下沿拉伸方向逐漸脫離碳納米管陣列的基底，并在范德瓦爾力的作用下，使選定的多個(gè)碳納米管分別與其它相鄰的碳納米管首尾相連，連續(xù)拉出，根據(jù)所需長(zhǎng)度，制備相應(yīng)長(zhǎng)度的取膜框并取膜，取下膜后，將其平行于基底方向均勻鋪設(shè)于基底和電介質(zhì)之上。

本實(shí)施例制備的可拉伸超細(xì)導(dǎo)電纖維，能夠保持穩(wěn)定的導(dǎo)電性能和機(jī)械性能，在彎曲，扭轉(zhuǎn)，按壓過程中，依舊保持電阻值的穩(wěn)定，電阻變化不超過0.5%（參照附圖5）?？衫斐?xì)導(dǎo)電纖維經(jīng)過2000次反復(fù)拉伸和彎曲后，性能衰減小于5%。

另外，相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員還可以依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案做其它變化，依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案所做的變化，都應(yīng)包含在本技術(shù)方案所保護(hù)的范圍之內(nèi)。