柔性导电纤维作为一种新型功能材料，因其卓越的性能，在传感器、能量存储、电磁屏蔽和信号传输等领域得到了广泛应用。镓基液态金属（LM）具有优异的导电性、流动性和自修复能力，成为制造高柔性导电纤维的理想材料。基于直接墨水书写（DIW）技术的同轴3D打印，能够将两种材料结合，精确制造具有芯鞘结构的线条，并形成复杂的三维结构，是制备同轴导电纤维的理想方法。然而，液态金属的高表面张力和低粘度使其难以与同轴打印系统兼容，限制了打印过程中的流动性、分辨率和打印速度，从而影响了打印效果和效率。

  为克服这一挑战，厦门大学白华教授团队提出了一种创新的液态金属流变学改性策略。团队通过将硬脂酸异丙醇溶液与液态金属相结合，成功制备了化学性质稳定的液态金属有机高内相乳液（SALM-HIPEG）。这种乳液不仅适用于独立的直接墨水书写（DIW）3D打印，还能作为内芯油墨应用于同轴3D打印。该研究整合了多种热固性鞘层油墨，能够制造出具有可调节芯直径、高分辨率和快速3D打印能力的同轴导电纤维。这些高弹性纤维在可穿戴电子产品、电磁信号传输和无线电力传输系统中具有广阔的应用前景。

  相关成果以“Liquid metal organic high-internal-phase emulsion for coaxial 3D printing of elastic conductive fibers”发表于《Matter》期刊。

【液态金属有机高内相乳液的制备及性能】

  研究团队设计了非水性的高内相乳液系统。该系统以异丙醇为连续相，硬脂酸为乳化剂，成功制备了液态金属体积分数高达85%的有机高内相乳液。与传统水基乳液不同，异丙醇连续相不与液态金属发生反应，SALM-HIPE具有优异的化学稳定性。在乳液中，硬脂酸不仅作为分散剂，还在液滴表面形成润滑层，有效减少摩擦，防止液滴间的聚结和破乳现象，从而提高了乳液的稳定性和流动性。SALM-HIPE表现出剪切稀化行为，在低剪切条件下，油墨表现为典型的粘弹性固体，储能模量（G''''）约为4×10⁴ Pa，且具有优异的触变性，确保了高形状保真度和结构精度。

图1：SALM-HIPE的制备及性能

【液态金属有机高内相乳液的3D打印和电激活】

  SALM-HIPE能够快速保持打印线条的形状，成为适用于高分辨率和纵横比的DIW 3D打印油墨，并成功打印出精细的3D结构。该系统中，异丙醇作为连续相迅速蒸发，显著降低了电激活的阈值。在外部机械刺激（如拉伸、扭曲或弯曲）下，液滴聚结并激活电导率。SALM-HIPE能够在平面上打印连续的导电路径，进一步证明了其在柔性电子设备设计中的广泛应用潜力。

图2： SALM-HIPE的3D打印和电激活

【液态金属有机高内相乳液在同轴打印中的流变行为】

  SALM-HIPE为同轴导电纤维的制造提供了独特的优势。打印过程中，SALM-HIPE通过同轴喷嘴的内通道挤出，而功能性热固性鞘层油墨通过外通道输送，形成以SALM-HIPE为导电内芯的同轴结构纤维。SALM-HIPE的塑性流动行为实现了稳定的内芯流动，并与多种低粘度护套材料兼容，使得打印速度可达到30 mm/s。通过调整内芯和鞘层材料的速度比，可以控制纤维的内外径，从而满足不同的功能需求。基于体积守恒，开发了预测模型，验证了通过调整挤出速度可以实现宽范围的纤维尺寸调节。该模型提供了灵活的工艺窗口，以满足电阻调制和机械增强等不同功能需求。

图3：SALM-HIPE在同轴打印中的流变行为

【弹性导电纤维的制备及其性能】

  在研究中，使用SE 1700/PDMS 184复合材料作为鞘材料，制备了不同芯径（0.2-0.7 mm）的纤维，所有纤维的断裂强度超过5 MPa，伸长率大于200%。纤维的电阻随着芯直径的增加而降低，但电导率保持稳定，达到6×10⁵ S m^?1。进一步研究表明，纤维在机械变形下的电响应稳定，电阻随应变增加，且在高应变下具有优异的弹性和抗疲劳性能，纤维可连续印刷超过10 m，并成功驱动LED电路。

图4：弹性导电纤维的制备及其性能

【基于弹性导电纤维的3D打印集成结构】

  同轴3D打印技术不仅能制造单一的弹性导电纤维，还能精确构建由导电纤维组成的复杂3D结构。打印的可拉伸导电交织网络在3 V电压下成功驱动LED，且在水中和洗涤剂中的反复拉伸循环测试未出现机械故障或导电性下降，证明其在恶劣环境中的坚固性和可靠性。打印的可拉伸线圈在不同磁体速度下产生有效的感应电动势（EMF），并能通过压缩产生不同的电信号，展现出在电磁能量收集和应变传感中的潜力。结合其在无线能量传输系统中的应用，打印的弹性线圈能够通过无线方式收集能量为LED供电，证明了其在复杂和动态环境中的适应性和电气可靠性。这些结果突显了该技术在智能纺织品、可穿戴电子和无线电力传输系统中的巨大应用潜力。

图5：基于弹性导电纤维的3D打印集成结构

  原文链接：Liquid metal organic high-internal-phase emulsion for coaxial 3D printing of elastic conductive fibers - ScienceDirect

  https://www.cell.com/matter/abstract/S2590-2385(25)00559-4