科学网—西北大学范代娣/李若松等:导电性不随应变变化的液态金属纤维织物，实现吸收增强电磁屏蔽
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2026-7-27 13:47
| 系统分类: 论文交流
Textile-Scale Liquid-Metal Fibers with Strain-Invariant Conductivity Enable Absorption-Enhanced EMI Shielding
Ruosong Li, Ruyi Tao, Youpeng Huangfu, Zhongyi Bai, Liping Wei*, Yuan Yan*, Rui Zhang, Daidi Fan*, Biao Zhao*
Nano-Micro Letters (2026)18: 281
https://doi.org/10.1007/ s40820-026-02131-w
本文亮点
1. 器件构筑创新： 构筑了Fe-EGaIn/TPU芯鞘 液态金属 纤维及织物平台，在保持高延展性的同时，实现了焦耳热、红外隐身、应变不敏感导电与电磁屏蔽等多功能集成。
2. 应变不敏感导电： 该纤维在100%应变下电阻变化约为−6%，表现出近应变不敏感的稳定导电特征，并结合有限元模拟揭示了拉伸载荷下导电网络维持稳定的作用机制 。
研究背景
面向可穿戴生物医疗应用，传统柔性屏蔽材料在适应人体动态大形变时，导电网络的开裂与电阻漂移极易引入运动伪影，导致生物电信号监测失效。此外，传统高导电材料以反射为主导的屏蔽机制会产生严重的二次电磁反射，这不仅会干扰相邻生命维持系统的精密运行，更存在微波辐射致热的生物组织安全隐患，难以满足复杂电磁环境下对人体级安全防护与连续生理监测的严苛要求。现有策略通常依赖提高填料含量、引入刚性金属涂层或复合磁性组分，但往往伴随透气性下降、舒适性变差、耐久性不足及工艺复杂等问题。
针对上述挑战，研究团队提出了一种 同轴湿法纺丝 结合冻压活化的液态金属纤维构筑策略。该方法利用液态金属微滴在低温与压力协同作用下的原位融合，构建出在大形变下仍可连续贯通的导电通道，并借助织物级结构调控，实现由高反射向吸收增强屏蔽的性能转变，从而兼顾柔性穿戴、导电稳定、电热响应与电磁防护等多重需求。
内容简介
围绕柔性可穿戴电子在大形变条件下面临的导电衰减和功能失稳 等问题， 西北大学大学范代娣、李若松团队 构筑了Fe-EGaIn/TPU芯鞘液态金属纤维及 其织物平台。该材料兼具高导电性、超高延展性和良好的结构稳定性，表现出近应变不敏感的导电特征；进一步编织成织物后，又获得了吸收主导型电磁屏蔽能力。与此同时，材料还具备低电压可控焦耳热与较弱外表面红外信号等特征，显示出在柔性电磁防护、可穿戴热管理和生物医用功能织物等方向的应用潜力。
图文导读
I Fe-EGaIn/TPU复合纤维的制备构筑、结构特征与多功能应用
该图展示了Fe-EGaIn/TPU复合纤维的制备流程、结构特征及应用场景。材料通过同轴湿法纺丝构筑，内层为Fe-EGaIn液态金属导电核，外层为TPU柔性鞘层，纤维经凝固成形后可进一步编织成织物。该芯鞘结构兼顾高导电性、柔韧性与结构稳定性，并赋予材料一定磁响应特征。基于此，织物可拓展用于磁驱动远程开关、电磁屏蔽、焦耳热以及应变不敏感导电等功能场景。下部实物图表明，该复合纤维在拉伸状态下仍保持连续完整， 断裂伸长率 最高可达482%，体现出优异的可拉伸性与力学适应能力，为柔性可穿戴电子器件应用提供了良好基础。
图1. Fe-EGaIn/TPU复合纤维的制备构筑、结构特征与多功能应用示意图 。
II 新型液态金属复合纤维实现“应变不敏感”导电网络
研究团队利用EGaIn低温体积变化与机械挤压的共同作用，促使液态金属微滴表面氧化层破裂，溢出的液态金属与Fe颗粒在聚合物基体内重新贯通，构建出致密、连续且稳定的三维导电网络。结果表明，在100%拉伸应变下，Fe-EGaIn/TPU样品电阻变化约为−6%，表现出近应变不敏感的稳定导电特征。有限元模拟进一步表明，拉伸引发的 泊松效应 可压缩局部填料间距，从而维持导电网络在形变过程中的动态稳定。与此同时，该纤维在循环形变条件下仍保持良好的力学恢复与结构完整性，说明其具备较好的动态服役可靠性。
图2. Fe-EGaIn/TPU复合纤维的力学性能、电学特性及机电稳定性 。
III 低电压可穿戴发热织物展现热疗与红外伪装双重优势
基于Fe-EGaIn/TPU纤维构筑的可穿戴织物在低电压下即可实现快速、可控的焦耳热响应。红外热成像和温升曲线显示，随着直流电压由0.2 V升至1.2 V，表面温度由28.2 °C升高至75.8 °C，表现出良好的电热转换效率和精准温控能力且热循环稳定性优异。此外，该织物在加热状态下仍保持较弱红外信号，相较MXene膜、PVDF膜和铜膜具有更好的红外伪装能力，兼具“可加热”与“低可探测”优势。
这一结果表明其在生物工程领域具有良好应用前景便于与柔性电池、微型电源及便携式可穿戴系统集成，可用于体表热疗、肌肉放松、局部理疗、关节保温及术后康复等场景。同时，其加热过程中较低的外表面红外暴露特征，也为体表热管理、可穿戴医疗器件隐蔽运行及特殊环境下的人体热辐射调控提供了潜在方案。
图3. Fe-EGaIn/TPU可穿戴织物在低电压驱动下表现出快速、可调且稳定的焦耳热响应，并在循环加热过程中保持优异热稳定性，同时相较MXene膜、PVDF膜和铜膜展现出更突出的红外隐身能力。
IV 吸收主导型液态金属智能织物实现高效电磁屏蔽
织构化的Fe-EGaIn/TPU芯鞘纤维编织成织物后，在X波段表现出稳定而高效的电磁屏蔽性能，平均总屏蔽效能为26.02–33.82 dB，超过工程应用通常要求的20 dB门槛。与传统依赖强反射的屏蔽材料不同，该体系在Fe含量优化后表现出更高的吸收贡献，其中吸收系数A达到0.520，反射系数R降至0.480，呈现吸收主导型电磁屏蔽特征，为柔性电磁防护织物的结构设计提供了新的思路。
图4. Fe-EGaIn/TPU织物的电磁屏蔽性能、吸收/反射贡献、磁场分布及理论计算结果表明，优化Fe含量后，样品可通过导电损耗、界面极化与Fe诱导磁损耗的协同作用实现吸收主导型电磁屏蔽。
V 总结
随 综上，通过同轴湿法纺丝构筑的Fe-EGaIn/TPU芯鞘复合纤维兼具优异的可拉伸性与结构稳定性。该材料在低压下表现出快速稳定的焦耳热响应与出色的红外伪装能力；将其编织为织物后，更在X波段实现了优于工程标准的电磁屏蔽效能。总体来看，这种集柔性导电、热管理、红外隐身和高效电磁屏蔽于一体的多功能织物，为可穿戴电子、柔性生物医疗器件和智能防护系统提供了有前景的材料基础。
作者简介
范代娣 本文通讯作者
西北大学 教授
▍ 主要研究 领域
化工制药领域难化学合成的生物大分子(胶原蛋白)及四环三萜类物质(人参皂苷)的合成生物制造及应用开发。
▍ 主要研究成果
西北大学教授、博导，西北大学副校长、化工学院院长，中国化工学会会士。主要从事化工制药领域难化学合成的生物大分子(胶原蛋白)及四环三萜类物质(人参皂苷)的合成生物制造及应用开发，是我国重组胶原蛋白领域的开拓者。先后承担了国家重点研发计划等十多项国家级项目；发表SCI论文412篇，出版专著及著作9部，获授权专利176件、医用产品注册证43件。以第一完成人获国家技术发明奖二等奖、中国专利金奖各1项、获陕西省最高科学技术奖等奖励。
▍ Email ： fandaidi@nwu.edu.cn
李若松
本文第一作者
西北大学 副教授
▍ 主要研究 领域
高性能材料的结构调控与工艺优化。
▍ 主要研究成果
围绕高性能材料的结构调控与工艺优化，形成了从微观组成与界面调控、介观结构构筑到宏观器件集成的系统研究方向，重点面向电磁防护、生物医用及能源环境功能材料领域。已以第一/通讯作者(含共同)发表论文27篇，其中多篇发表于Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano-Micro Lett.、 Nano Today 、Mater. Horiz.、Small等期刊，体现出其在多尺度材料构型调控、高性能材料制备工艺构建及应用转化方面的研究积累。
▍ Email ： ruosongli@nwu.edu.cn
撰稿： 原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
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