Nano Lett.：可持续拉丝纺制备可形成微米图案的超长银亚微米纤维

【引语】

2017年2月6日，Nano Lett. 网站在线发表了题为“Continuous Draw Spinning of Extra-Long Silver Submicron Fibers with Micrometer Patterning Capability”的文章。该文章的第一作者为来自清华大学的Xiaopeng Bai，通讯作者为清华大学的伍晖教授。在这篇文章中，研究人员设计一种可持续拉丝纺的方法用于制备直径可达200 nm、长度可到达千米的银超导电亚微米纤维。单根的AgNO₃-聚合物纤维的持续拉伸制备速度可达8 m/s，经过煅烧处理后，即可得到高韧性强度和电导性的银亚微米纤维。将银亚微米纤维的编织物做透明电极材料，其不仅表现出高强度韧性，在透明度达到96%时还拥有低薄膜电阻(7 Ω sq⁻¹)。可持续拉丝纺为规模化制备高柔韧性和低成本的超长导电超薄金属纤维提供了一种全新的方式。

【成果简介】

超薄金属纤维材料因具有高电导率、灵活交变电流以及热传导等特性而引起在挠性电子、能量转化等领域引起广泛研究和应用。目前，商业化的金属纤维直径最小为2 μm, 持续大规模化生产低成本、高质量的纳米级金属纤维仍面临着巨大挑战。当前制备超薄金属以及其他导电纤维的方法有静电纺丝法、熔融纺丝法以及湿法纺丝，但这些方法无法实现纤维尺寸精准可控。为实现尺寸均一规整的超薄导电纤维，现有平板印刷、喷墨印刷、模板合成、喷印等方法。这些方法可制备高质量、高密度的规整金属纤维，但需要高时间成本且依赖复杂的制备工序。为有效实现规模化制备高柔韧性和低成本的超长导电超薄金属纤维，本文中的研究人员利用可持续拉丝纺制备长度可达千米的超薄银亚微米纤维。通过这种方法，银纤维的持续拉伸制备速度可达8 m/s。银纤维网可编织成银纤维垫用于透明电极，这种透明电极具备高性能 (7 Ω sq⁻¹)、高柔韧性、延展性能好 (拉伸应变可达130%) 等特点。

【图文导读】

图1. 利用可持续拉丝纺制备超长导电超薄银亚微米纤维的制备过程

(a) 银纳米纤维阵列的制备机理图。

(b) 真实制备过程图以及高度透明的银纳米纤维阵列缠绕在中空不锈钢板上。

(c) 不同旋转速度下，针头上的液锥形成纤维具有恒定的转变率。

(d) 具有不同间隔以及不同直径的银纳米纤维阵列的SEM图。

(e) 溶液黏度和纤维直径的关系图。

(f) 剪切力和直径与基地旋转速度的关系图。

图2：利用超长亚微米纤维制备银纤维网

(a) 银纳米纤维网的光学图。

(b) 银纳米纤维网的SEM图 (标尺为10 μm)。

(c) 不同直径的银纳米纤维阵列的截面以及纵向SEM图。

(d) 通过AFM图可以观察到银亚微米纤维网具有细微的高度差。

(e) 银亚微米纤维网的SEM图以及对应的Ag元素分布图。

图3：Ag纤维透明导电电极

(a) 银亚微米纤维网的透明度与薄膜电阻之间的关系图。

(b)  煅烧温度与薄膜电阻之间的关系图。

(c) 银亚微米纤维网在不同弯曲半径时测试薄膜电阻的稳定性。

(d) 薄膜电阻阻值与弯曲次数的函数关系 (弯曲半径达2 mm)。

(e) 将银亚微米纤维网粘附在PDMS基底上，其薄膜电阻阻值变化与单轴拉伸应变的关系；右图为拉伸后纤维网的SEM图。

图4：银亚微米纤维网的柔性、韧性以及透明度

(a) 银亚微米纤维网粘附在不同的基底上。MASnI₃薄膜接触水分子后的分解过程图。

(b) 银亚微米纤维网在变皱后可轻易展开还原。

(c) 银亚微米纤维网折叠两次后的光学图。

(d) 银亚微米纤维网折叠后的SEM图。

图5：超长单根Ag纳米线作电缆芯线

(a) 直径为400 nm的Ag纳米线作为导线连接LED灯装置的示意图。

(b) 单根纤维缠绕过程图和当根纤维阵列的光学图。

(c) 500 m的单根Ag纳米线缠绕在玻璃棒上。

(d) 长度为28 m的Ag纳米线作为导线连接LED灯装置。

(e) 长度为28 m的Ag纳米线均匀间隔缠绕在陶瓷棒上的SEM图。

【小结】

综上所述，研究人员基于可持续拉丝纺的方法，制备了一种直径可达200 nm、长度可到达千米的纤维。这种方法得到的Ag纳米线编织成大尺寸的银亚微米纤维网(8×8 cm)可表现出杰出的光学、电性能以及优越的柔软性和韧性。这种银纳米线网可应用于柔性太阳能电池、触感屏、触感传感器以及平板显示器。另外这种超长Ag亚微米纤维可直接应用于电流传导和传热通道。此外，可持续拉丝纺的方法可广泛应用于制备超长亚微米纤维领域。

文献链接：Continuous Draw Spinning of Extra-Long Silver Submicron Fibers with Micrometer Patterning Capability (Nano Lett., 2017, DOI：10.1021/acs.nanolett.6b05205)

该文献汇总由材料人编辑部纳米学术组王畅供稿，材料牛编辑整理。

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