深圳大学：高强度、阻燃、可焊接和高导电的金属化凯夫拉织物

近日，深圳大学化学与环境工程学院周学昌教授课题组在导电织物领域取得重要进展，在英国皇家化学学会旗下学术期刊《Journal of Materials Chemistry A》发表了题为“Ultra-Strong, Flame-Retardant, Intrinsically Weldable, and Highly Conductive Metallized Kevlar Fabrics”的研究论文（HOT Paper）。该研究工作制备了高强度、阻燃、可焊接、高导电的金属化凯夫拉织物，并成功应用于高强度导体、高温柔性加热器和高强度超级电容器（图1）。深圳大学化学与环境工程学院的博士后陆喜博士和2020级硕士研究生叶雨生为论文的共同第一作者，周学昌教授为通讯作者，深圳大学为唯一完成单位。

图1.金属化凯夫拉织物的制备

柔性可穿戴电子器件正在迅速发展，导电织物具有很好的柔性和透气性，在新一代可穿戴电子器件中具有很好的应用前景。导电织物制备可穿戴电子器件已经取得了显著的进步，例如：可穿戴传感器和制动器、能量收集和储能器件、柔性机器人、人机交互、电子皮肤、柔性显示器等。然而目前的导电织物和可穿戴电子器件很难在遭受机械破坏、高温等恶劣环境中保持稳定，这限制了导电织物的应用场景。

图2.金属化凯夫拉织物的力学性能

周学昌教授课题组在研究中为了解决导电织物的机械强度、导电性、环境稳定性等问题，选择了高强度且表面容易修饰的凯夫拉织物作为基底材料，通过无电沉积之后再电沉积的方法在凯夫拉织物表面分别沉积了金属铜和金属镍，制备了金属化凯夫拉织物。该金属化凯夫拉织物具有优良的导电性能，经过10分钟无电沉积和90分钟电沉积，镀铜、镍样品的方阻分别下降到了~ 0.007 sq-1和~0.06 Ω sq-1（图1）。

金属化处理之后凯夫拉织物的抗冲击性能大幅度增强，落锤冲击力增加了2~3倍。该金属化凯夫拉织物具有超高的机械强度和机械稳定性，拉伸强度达到1 GPa以上，而且拉伸断裂应变小，在受到拉伸、弯曲、胶带粘揭、洗涤、刀划、刀刺、剪刀剪等破坏后的导电性依然保持良好的导电性（图2）。

图3.金属化凯夫拉织物的热学性能

此外，该金属化凯夫拉织物还具有阻燃性和耐热性，离开酒精灯火焰后不会燃烧；镀镍样品在300 ℃加热1小时电阻保持稳定。因为基底材料耐高温，同时金属层达到足够的厚度，该金属化凯夫拉织物可用焊锡焊接，而且在焊接时样品很好地被焊锡浸润（图3）。

图4.基于金属化凯夫拉织物发热器

得益于该金属化凯夫拉织物优异的导电性、机械强度和机械稳定定性，可以被应用为高强度的柔性导体。基于镀镍凯夫拉织物优异的热稳定性和阻燃性，成功应用于柔性高温热电热器，仅需接通3.5 V的直流电，该电热器的表面达到接近300 ℃的高温，电热器表面的工作温度基本与接通的直流电压呈线性关系（图4）。以镀镍凯夫拉织物作为集流体，通过电沉积二氧化锰制备的超级电容器电极在具有可观的单位面积容量（608.9 mF cm-1），同时还能承受GPa级别的拉伸强度和各种机械破坏（图5）。

图5.基于金属化凯夫拉织物的超级电容器

这种高强度强、耐高温、可焊接的导电织物有望应用于各种恶劣环境中，如交通、军事、航空航天领域等。该研究得到了国家自然科学基金委优秀青年基金、广东省杰出青年基金和深圳市科创委相关项目的支持。

来源：深圳大学

全文链接：

https://doi.org/10.1039/D2TA05702F