综述-导电纤维：从“丝”材到柔性传感的全链条创新

研究背景  

随着柔性电子技术的快速发展，柔性可穿戴传感器件在基础科学、医疗健康、环境监测等领域的需求日益迫切。纤维作为智能织物的基本单元，凭借轻量化、柔韧性、高透气性和可穿戴舒适性等天然优势，成为构建柔性传感器件的理想基材。导电纤维作为核心组成，分为本征型（如金属纤维、碳纤维、导电聚合物纤维）和复合型（如导电材料与聚合物复合），其性能由材料特性和结构设计共同决定。然而，现有研究对导电纤维的材料分类、结构调控与应用场景的系统性关联梳理不足，尤其缺乏对“材料-结构-性能-应用”全链条的整合分析。因此，本综述聚焦导电纤维基柔性传感器件，系统总结其材料、结构、制备及应用，为高性能柔性传感器件的设计提供指导。  

研究成果

近年来，柔性传感器件在基础科学、医疗健康和健康监测等领域展现出巨大的应用潜力。纤维基传感器件因其高性能、穿戴舒适性、大规模生产潜力及广泛的应用范围而备受关注。材料和结构是影响纤维传感器件性能的两个主要因素。天津科技大学刘阳教授团队系统总结了基于导电纤维的柔性传感器件的最新研究进展。首先，简要介绍了传感材料的分类及其传感机制。随后，全面探讨了导电纤维的结构类型及其相应的制备方法。此外，还探究了导电纤维在柔性可穿戴电子设备、医疗领域及多功能应用中的新兴应用。最后，讨论了导电纤维基柔性传感器件面临的潜在挑战和未来前景。相关报道以“Conductive Fiber-Based Flexible Sensing Devices: Material, Structure, and Application”为题发表在Small Methods期刊上。

Figure 1. The outline of the review.

综述要点  

1. 材料-结构-性能的关联：0D材料侧重分散性，1D/2D材料通过高长径比/比表面积构建连续导电网络；核壳、螺旋等结构通过多组元协同或应力分散，平衡灵敏度与稳定性（如螺旋结构实现500%拉伸下 conductivity 保持688 S/cm）。  

2. 制备方法的针对性：静电纺丝适用于核壳、多孔结构，湿法纺丝适合大规模制备纤维，微流控纺丝可精准调控光纤结构，熔融纺丝利于岛状结构的工业化生产。  

3. 应用场景的多元化：生物信号检测依赖高灵敏度和生物相容性，环境监测需兼顾稳定性与响应速度，运动检测强调宽应变范围（如530%）和循环耐久性。  

综述内容 

1. 纤维基导电材料  

导电材料是决定纤维传感性能的核心，按维度分为四类：  

- 0D导电材料：如碳黑（CB，电导率10??~10?3 S/cm），通过静电纺丝、共沉淀等方法分散于纤维中，需通过表面改性避免团聚，主要作为功能性填充剂提升导电性。  

- 1D导电材料：如碳纳米管（CNTs，电导率10? S/m）、银纳米线（AgNWs，1×10?~6.3×10? S/m）、碳纤维（CF，7×103~1.3×10? S/m），高长径比使其易形成连续导电通道，兼具力学增强作用，可通过湿法纺丝、静电纺丝制备纤维。  

- 2D导电材料：如石墨烯（氧化石墨烯经还原后导电）、MXene（103~10? S/m），高比表面积使其可通过涂层、湿法纺丝等方式与纤维结合，形成超薄导电层，提升传感灵敏度。  

- 其他材料：如液态金属（EGaIn，3×10? S/m），凭借流动性实现裂纹修复和高导电性；金属有机框架（MOFs，1×10?1?~1.05×10?2 S/cm），多孔结构使其适用于气体、温度传感。  

2. 导电纤维的结构及制备方法  

纤维结构是调控性能的关键，主要包括七类，不同结构通过特定制备方法实现：  

Figure 2. Schematic diagram of the structural types of fibers. 

- 核壳结构：由核心层与外壳层组成（如导电核心+绝缘外壳），通过同轴静电纺丝、共挤出、湿法纺丝制备，兼具多材料优势（如内核导电+外壳保护），可实现小应变高灵敏度、大应变低灵敏度的分级响应。 

Figure 3. Core–shell structural fibers.

- 光纤结构：由功能层、导电层、弹性保护层组成，通过微流控化学纺丝、湿法纺丝制备，抗电磁干扰、耐腐蚀性强，适用于气体、化学物质选择性传感。  

Figure 4. Optical structural fibers.

- 螺旋结构：模拟蝴蝶翅膀鳞片结构，通过喷射纺丝制备，层间联锁设计抑制裂纹扩展，平衡拉伸性与导电性，适用于可水洗穿戴电子器件。

Figure 5. Helicoidal structural fibers.  

- 多层结构：由多组元层叠而成，通过涂层-煅烧、静电纺丝结合制备，层间应力分散能力强，导电性稳定，可实现温度、压力等多参数传感。

Figure 6. Multilayer structural fibers.  

- 岛状结构：“岛相”（导电材料）分散于“海相”（聚合物基质）中，通过熔融纺丝、复合纺丝制备，协同两种材料的力学与电学性能，提升焊接性和线性密度。  

Figure 7. Island structural fibers. 

- 平行结构：两种聚合物沿轴向并列分布，通过溶胶-凝胶法、微流控纺丝制备，热稳定性和耐腐蚀性优异，适用于氯漂白环境下的传感。

 Figure 8. Parallel structural fibers. 

- 多孔结构：纤维内部含纳米至微米级孔隙，通过湿法纺丝结合常压干燥、冷冻干燥、超临界干燥制备，低密度、高比表面积使其对微小压力（如脉搏、呼吸）敏感。  

Figure 9. Porous structural fibers.

3. 纤维基柔性传感器件的应用  

基于材料与结构的协同设计，导电纤维传感器件在多领域实现应用：  

- 生物信号检测：如基于聚偏氟乙烯（PVDF）纳米纤维的压电传感器监测声带振动和关节弯曲；碳纳米管织物传感器检测乳酸（线性范围10μM~25mM，灵敏度109.6 nA/(log C)），兼具400次循环稳定性。

 Figure 10. Fibers for biological detection.

- 环境监测：如钙藻酸盐/Fe?O?/AgNWs气凝胶纤维实现100~400℃温度检测，2~3秒内触发火灾报警；聚乳酸（PLA）/聚苯胺（PANI）-ZnO复合纤维检测湿度（20%~90% RH），响应时间85秒。  

Figure 11. Flexible fiber sensors for environmental detection.

- 运动检测：如PAN/MXene/PDA@ZnO压电纤维检测关节弯曲（1°~15°）和动脉搏动（0.1~5Hz）；多孔芳纶 nanofiber/碳纳米管气凝胶纤维监测步态，拉伸强度2.88 MPa，循环稳定性>1000次。  

Figure 12. Flexible sensing fibers for motion detection.

总结与展望  

本综述系统梳理了导电纤维的材料（0D~2D及特殊材料）、结构（核壳、螺旋等七类）、制备方法及应用（生物、环境、运动检测），明确了“材料选择-结构设计-性能优化-场景适配”的核心逻辑。导电纤维通过材料与结构的协同，实现了高灵敏度、宽检测范围和良好耐久性，为柔性传感器件提供了多元解决方案。   

挑战：导电材料的长期稳定性（如AgNWs易氧化）、生物相容性（皮肤接触安全性）、集成复杂性（多模态传感与 ergonomic 舒适性的平衡）。  

展望：开发低成本生物基导电材料（如木质素衍生碳材料）；设计分级结构（如“0D+1D+2D”复合）提升性能；拓展跨领域应用（如器官数字孪生、建筑表皮自修复传感），需多学科（纺织、化学、生物工程）协同推进。  

文献链接： https://doi.org/10.1002/smtd.202500751