由于纺织电子产品通常佩戴在人体上，它们不可避免地会因人体运动产生的大量变形而被拉伸或压缩。因此，需要纺织电子产品在经历不规则和重复的应变变形时能够实现应变不变的性能。这种应变不变的纺织电子产品需要先进的纤维，这些纤维同时具有高功能和作为织物材料的极端坚固性。目前基于无机基质的合成纳米复合纤维具有显着的功能，但往往存在强度低和抗裂纹耐受性差的问题；因此，它们不能承受大应变或循环应变载荷。在这里，提出了一种高性能多功能纳米复合纤维的设计，该纤维在机械和电气方面都非常坚固，这是通过将碳化钛 (MXene) 纳米片与滑环聚轮烷交联形成内部机械互锁网络来实现的。这种无机基质纳米复合纤维具有明显的应变硬化机械性能和出色的承载能力（韧性接近 60 MJ/m³和延展性超过 27%)。它在循环应变加载后保留了 100% 的延展性。此外，纳米复合纤维的高电导率（>1.1×10⁵ S/m）和电化学性能（>360 F/cm³）在纤维经受广泛（> 25%应变）和长期-后仍能很好地保持。长期重复（10,000 次循环）尺寸变化。这种卓越的坚固性允许将纳米复合纤维制造成各种坚固的可穿戴设备，例如具有应变不可改变传感性能的基于纺织品的机电传感器和在 10,000 次应变加载循环中具有不变电化学性能的纤维状超级电容器。
 
Fig 1. cMP 纤维的示意图和 MD 模拟。 (a) 机械互锁结构的功能示意图，允许 PEG 主链拉伸，α-CD 环在聚轮烷中沿 PEG 主链滑动，以及 MXene 纳米片在拉伸应变下沿轴向相互滑动。 (b) 机械互锁结构中 MXene 纳米片和 α-CD 环之间形成的共价键和配位键的交联点。 (c) 由机械互锁结构实现的不同应变状态下 cMP 纤维结构稳健机制的 MD 模拟。
 
Fig 2. cMP 纤维的表征。 (a) 缠绕在鼓上的一米长 cMP 纤维的照片。 (b) cMP 纤维脆性断面的 SEM 图像。 (c) 纯 MXene 和 cMP 纤维的 FT-IR 光谱比较。 (d) Ti 2p 区域和 (e) C 1s 区域中的 cMP 和 MP 纤维的 XPS 光谱。
 
Fig 3. cMP 纤维的机械性能。 (a) MXene、cM、MP 和 cMP 纤维的典型应力-应变曲线。只有 cMP 纳米复合纤维的曲线显示出应变硬化行为。 CMP 纤维在 (b) 未拉伸状态和 (c) 15% 拉伸应变下的 (002) 峰处的 D WAXS 散射图案和方位角扫描轮廓。拉伸测试后 (d) MXene 纤维和 (e) cMP 纤维的断裂表面的 SEM 侧视图。 (f) 5 厘米长的 cMP 纤维举起超过其自身重量 28,000 倍的负载并以 200 rpm 的速度旋转的照片。 (g) 紧密打结的 cMP 纤维的 SEM 图像。(h) 照片显示使用针织机将 cMP 纤维与商用尼龙纤维编织成纺织品。 (i) 基于 cMP 纤维的柔性纺织品的照片。
    Fig 4. cMP 光纤的机械和电气稳健性。在 (a) 5–6%、(b) 10–11% 和 (c) 15–16% 之间的 1000 个应变加载循环后测量的 cMP 纤维的应力-应变曲线。 (d) 电导率和电阻随 cMP 纤维的拉伸应变而变化。 (e) 纯 MXene 和 cMP 纤维在 20 ℃和 RH 为 85% 的条件下储存 30 天后的电导保留百分比。 (f) 分别重复 2-3%、10-11%、15-16% 和 20-21% 应变 10,000 次拉伸释放循环后 cMP 纤维的电导保留百分比。在 (g) 10–11%、(h) 15–16% 和 (i) 20–21% 应变之间，cMP 纤维在 10,000 个拉伸释放周期内的相对电阻变化。
 
Fig 5. 应变未扰动纺织品传感器的演示。 (a) 包裹在手腕上的可穿戴 cMP 纤维织物传感器的照片，用于监测手腕弯曲期间的人体动脉脉搏。手腕弯曲时，织物传感器会随着皮肤变形而变形。 (b) 缠绕在手腕上的 cMP 纺织品传感器测得的动脉脉搏波形的典型等值线图。 (c-f) 人体动脉脉搏的输出波形是在各种手腕运动下从 cMP 纺织品传感器测量的。 (c) 佩戴 cMP 纺织品传感器的人手腕在不同手腕运动下：放松（状态 1）、向左弯曲 15^o（状态 2）和向左弯曲 30^o（状态 3）以及两种特定输出波形信号相应手腕弯曲状态下的脉冲周期。 (d) 从 (c) 的不同手腕弯曲状态下连续脉搏监测获得的 UT、RWTT、LVET、PPT、PWV 和 SI 值。 (e) 佩戴cMP纺织传感器的人手腕在不同手腕运动状态下：放松（状态1）、向前弯曲（状态2）和向后弯曲（状态3）以及相应的两个脉冲周期的特定输出波形信号手腕弯曲状态。 (f) 从 (e) 的不同手腕运动状态下连续脉搏监测获得的 UT、RWTT、LVET、PPT、PWV 和 SI 值。每个设备测量了五个以上的样本。
 
Fig 6. cMP 纤维和基于 cMP 纤维的超级电容器的稳健电化学性能。 (a) cMP 和纯 MXene 纤维的电化学阻抗谱 (EIS) 数据。 (b) cMP 纤维在各种应变下的初始和拉伸状态下的电化学阻抗谱 (EIS) 数据。 (c) cMP 纤维电极的循环伏安法 (CV) 曲线（从 5 到 100 mV/s）。 (d) cMP 纤维电极循环过程中的电容保持率。插图显示了 cMP 纤维电极的第 1-5、9995-10000、19995-20000 和 24995-25000 循环。 (e) cMP 纤维电极的电容保持率与拉伸应变的关系。插图显示了 cMP 纤维电极在各种应变下处于初始和拉伸状态时 20 mV/s 的 CV 曲线。 (f) cMP 纤维电极在初始状态下和 10,000 次拉伸循环后分别在 5–6%、10–11%、15–16% 和 20–21% 的应变之间的 CV 曲线为 20 mV/s。 (g) 在分别为 5–6%、10–11%、15–16% 和 20–21% 的应变之间进行 10000 次拉伸循环后，cMP 纤维电极的电容保持率。 (h) cMP 纤维的恒电流充电/放电曲线（15 A/cm3）在应变分别为 5–6%、10–11%、15–16% 和 20–21% 之间进行 10000 次拉伸循环后的电极。 (i) cMP FSC 在初始状态和 10000 次拉伸循环后的体积能量密度和功率密度分别为 5-6%、10-11%、15-16% 和 20-21%，与最先进的基于纤维的超级电容器。
 
        相关研究工作由南开大学Jiajie Liang课题组于2023年在线发表在《Advanced Materials》期刊上，原文：Extremely Robust and Multifunctional Nanocomposite Fibers for Strain-Unperturbed Textile Electronics。

转自《石墨烯研究》公众号