穿在身上的 5G！自愈合液态金属织物，抗弯折还能稳传高清信号

一、研究背景

毫米波技术凭借大带宽、高速率优势，是下一代5G-A/6G无线体域网、可穿戴智能通信与人体传感的核心支撑，然而毫米波频段对导体损耗与结构稳定性高度敏感，传统可穿戴导体材料如银浆、金属布、导电聚合物等在弯折、拉伸、扭转等日常形变下极易出现不可逆裂纹、界面脱落与导电通路断裂，进而导致射频器件阻抗失配、辐射增益骤降、传输效率大幅衰减甚至通信中断。镓基液态金属虽兼具高导电与本征柔性，是理想的柔性毫米波导电材料，但受限于极高表面张力、与织物基底浸润性差、难以高精度印刷成型，且传统微流道封装工艺复杂、易形变塌陷，始终无法在织物基底上实现稳定、可靠、可规模化制备的高性能毫米波器件，因此开发兼具可印刷性、高附着力、自愈合能力与抗形变特性的织物基液态金属毫米波系统，成为柔性电子与射频领域亟待解决的关键难题。

二、研究亮点

1. 通过探头超声破碎与PVP表面修饰制备出均匀分散的液态金属纳米液滴，平均粒径约78 nm，使墨水在织物表面的接触角从126.7°显著降至39.8°，附着力提升约50倍，同时具备本征自愈合能力，氧化层破裂后可快速重构导电通路，方阻低至11.16 mΩ/sq，经上万次弯折电阻仍保持稳定。

2. 创新提出“双掩膜”印刷策略，结合激光刻蚀热释胶带限定区域与丝网印刷高精度成型的优势，首次在织物上实现150 μm级高精度液态金属电路制备，有效解决液态金属易扩散、印刷精度差、与织物结合力弱的行业瓶颈，形成一体化无分层导电织物。

3. 基于上述材料与工艺成功制备26 GHz 2×2织物毫米波天线阵列与微带传输线，天线初始增益达10.67 dBi，反复弯折后仍保持9.65 dBi，增益保持率超90%；传输线在24.5 GHz下经千次弯折衰减几乎不变，远优于传统银浆与金属布器件；实际无线通信测试中，弯折状态下仍可稳定实现4.5米高清图像传输，具备可穿戴实用价值。

三、研究内容

1. 液态金属纳米墨水设计与制备

图 1：液态金属织物设计思路与优势

(a) 技术路线：大块 LM → 纳米液滴 → PVP 改性 → 双掩膜印刷 → 柔性毫米波器件。

(b) 实物图：织物电路可任意弯曲、扭曲、贴合曲面。

(c)(d) SEM：液态金属牢固附着在织物纤维上，形成连续导电网络。

(e)(f) 机理对比：

传统导体：弯折→裂纹→断连→失效

液态金属：流体自愈合→氧化层破裂重构→持续导电

原料：镓铟液态金属（Ga74.5%/In24.5%）

制备流程：

① 大块液态金属 → 超声破碎 → 纳米液滴

② 加入PVP作为稳定剂与分散剂，形成包覆层

③ 调控 PVP 浓度，优化分散性、润湿性、流变性能

作用机制：PVP 极性基团与 Ga?O?表面形成配位键，提供空间位阻，防止团聚，大幅提升与织物的相容性。

2. 墨水性能系统表征

图 2：液态金属纳米墨水结构与形貌

(a–d) SEM/TEM/EDS：证明 PVP 均匀包覆 LM 纳米液滴，N、O 元素分布证实表面修饰。

(e)(f) 粒径分布：PVP 浓度优化，平均粒径～78 nm，分布最窄。

(g–i) 织物印刷形貌：最优 PVP 浓度下，LM 致密附着；过低 / 过高均导致团聚、不连续。

图 3：浸润性与流变性能

(a) 接触角：原始 LM ~126.7°；改性 LM ~39.8°。

(b–e) 附着力：原始 LM 倾斜 30° 滚落；改性 LM 90° 不脱落，质量留存提升 50 倍。

(f–h) 流变：剪切变稀、高弹性、优异触变性，完美适配高精度丝网印刷。

形貌：SEM/TEM/EDS 证明液滴均匀、PVP 成功包覆、氧化层～3 nm。

浸润性：接触角、倾斜滚动测试、附着力、质量留存比测试。

流变性能：典型剪切变稀行为，适合丝网印刷；高弹性模量 G’>G’’，印刷后不扩散、保形性好；优异触变性，快速恢复结构

导电性：最优配方方阻～11.16 mΩ/sq，机械循环后稳定。

3. 双掩膜印刷工艺开发

图 4：器件制备与电学 / 射频性能

(a) 双掩膜印刷三步工艺流程。

(b) 织物 LED 阵列：弯曲、拉伸、扭曲均正常点亮。

(c) 失效机制对比：传统材料分层 / 断裂；LM 织物稳定导通。

(d–h) 传输线性能：弯折 1000 次电阻几乎不变；24.5 GHz 衰减恒定；银浆 / 金属布衰减急剧上升，性能崩溃

三步核心流程：

第一掩膜：激光刻蚀热释胶带，贴于织物，定义电路区域。

第二掩膜：丝网印刷，将液态金属墨水精准填入限定区域。

机械活化 + 热剥离：100℃自动脱膜，形成高精度、高附着力织物电路。

优势：结合模板印刷的通量+丝网印刷的精度，解决了液态金属难印刷、易扩散、附着力差三大问题

4. 织物基毫米波器件制备与测试

图 5：毫米波天线阵列与无线通信

(a) S11 参数：弯折多次仍保持良好阻抗匹配。

(b) 辐射方向图：LM 天线增益远高于银浆 / 金属布。

(c) VSWR：LM 稳定 < 1.5，银浆急剧恶化。

(d) 形变后方向图：LM 几乎不变，银浆严重畸变。

(e) 无线通信系统：USPR + 人体模型 + 织物天线。

(f)(g) 性能对比：初始增益：10.67 dBi → 弯折后 9.65 dBi；通信距离：稳定 4.5 米；银浆天线增益暴跌至 5.48 dBi，距离大幅缩短

微带传输线：30 mm 长度，2.45–26 GHz 宽频测试。

电学：弯折10000次、扭转10000次，电阻基本不变。

毫米波传输线：24.5 GHz下反复弯折衰减几乎不变，银浆/金属布衰减剧增50%以上。

2×2天线阵列：26 GHz阻抗匹配稳定，弯折后增益保持率>90%。

无线通信：弯折后仍稳定传输高清图，距离达4.5米。

四、总结与展望

本研究成功开发出PVP稳定化液态金属纳米墨水与双掩膜高精度印刷工艺，有效解决了液态金属与织物基底浸润性差、难以高精度图案化、可穿戴毫米波器件易因形变失效等核心难题，制备出兼具高导电、自愈合、抗弯折与强电磁鲁棒性的织物基毫米波器件，在26 GHz频段实现稳定的天线辐射与信号传输，性能显著优于传统银浆与金属布器件，为5G/6G可穿戴、无线体域网与智能衣物提供了全新的技术路线与材料方案。未来可进一步研发轻薄透气、耐水洗、耐汗液与耐摩擦的封装结构，提升器件长期穿戴可靠性，同时将工作频段从毫米波向亚6GHz、太赫兹、UWB等多场景拓展，集成传感、能量收集、计算等功能实现多功能全织物智能系统，并推进卷对卷规模化印刷工艺，加速柔性射频电子在医疗监测、运动穿戴、公共安全与消费电子等领域的产业化落地。

文献链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202522350

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