張 晶，黃治恒，牛廣亮，梁 生，楊旅云，魏 磊，周時(shí)鳳，侯 沖,6，陶光明,7

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學(xué) 武漢光電國(guó)家研究中心和光谷實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；3.北京交通大學(xué) 物理科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100044；4.南洋理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，新加坡 639798；5.華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；6.華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074；7.華中科技大學(xué) 材料成型與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430074)

紡織品作為最早的纖維材料，自出現(xiàn)以來(lái)，即有蔽體遮羞、隔濕保暖、裝飾美化等多種用途。我國(guó)紡織業(yè)歷史悠久且成就斐然，早在五六千年前的新石器時(shí)代，我們的祖先就開(kāi)始使用葛藤纖維、蠶絲、動(dòng)物毛纖維等天然動(dòng)植物纖維紡紗、織布用于衣著[1]。隨著社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)的紡織纖維原料和紡織技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步。紡織纖維不僅可取材于棉、麻、蠶絲、羊毛等天然動(dòng)植物纖維，亦可由纖維素、高分子化合物及玻璃纖維等化學(xué)纖維構(gòu)成[2]。隨著現(xiàn)代科技發(fā)展及生活水平提升，在現(xiàn)有高品質(zhì)纖維的基礎(chǔ)上，研究者開(kāi)始探索具有傳感監(jiān)測(cè)、溫控儲(chǔ)能、交互控制等附加功能的智能紡織品。智能紡織品所具備的輕便透氣、柔軟等織物傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，使其能夠更好地適應(yīng)體表三維曲面，并獲取更為豐富而準(zhǔn)確的信息。

在眾多纖維制造技術(shù)中，可制備多材料纖維的熱拉工藝為智能紡織品的創(chuàng)新和發(fā)展提供了一種值得探索的研究方向[3]。纖維熱拉工藝最初為批量化生產(chǎn)通信用石英光纖而發(fā)明，通過(guò)制棒—加熱—軟化—拉絲工藝，具有芯-包層結(jié)構(gòu)的光纖石英預(yù)制棒熱拉制為微米級(jí)直徑的光纖[4]。與光纖的制備過(guò)程類(lèi)似，基于熱拉工藝的多材料纖維制備一般包括2個(gè)步驟：第1步是制造具有特定結(jié)構(gòu)與材料組成的預(yù)制棒；第2步則將多材料預(yù)制棒在加熱爐內(nèi)軟化，并被施以外力拉制成具有相同結(jié)構(gòu)、直徑為微米級(jí)的細(xì)絲。目前，熱拉工藝不僅可制備傳統(tǒng)的石英玻璃光纖，亦可制備包含有聚合物、金屬、半導(dǎo)體、玻璃等種類(lèi)豐富的多材料功能纖維。熱拉制技術(shù)作為一種新穎的纖維制造方式表現(xiàn)出獨(dú)特的特點(diǎn)：1)纖維預(yù)制棒在厘米尺度上構(gòu)建，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可通過(guò)機(jī)械加工精確調(diào)控；2)具有聲、光、電、磁、壓電、熱電等特性的功能材料，以及具有運(yùn)算及顯示功能的微型芯片，均可共拉制備復(fù)合功能智能纖維；3)熱拉工藝具備可擴(kuò)展、批量生產(chǎn)性，單一預(yù)制棒通過(guò)軸向尺度縮小即可制備千米級(jí)長(zhǎng)度的纖維；4)可采用保護(hù)性包層材料封裝功能纖維，賦予纖維防水、不受環(huán)境影響等特性?；跓崂に嚨奶攸c(diǎn)，熱拉式多材料纖維已成為智能紡織品探索的重要方向。

本文介紹了基于熱拉工藝制備的多材料纖維的典型結(jié)構(gòu)及其傳感功能，梳理分析了柔性能源纖維、神經(jīng)探針纖維、可運(yùn)算纖維等功能纖維的研究進(jìn)展，并對(duì)熱拉式多材料纖維的潛在發(fā)展方向及應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1 微納結(jié)構(gòu)纖維

熱拉式多材料纖維由預(yù)制棒加熱拉絲制得，纖維橫截面可通過(guò)預(yù)制棒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以具有豐富的功能結(jié)構(gòu)，而纖維縱軸向一般為單一連續(xù)結(jié)構(gòu)。為進(jìn)一步豐富纖維縱軸向結(jié)構(gòu)，增加纖維的功能和可設(shè)計(jì)維度，研究人員一直致力于制備具有縱軸向微納結(jié)構(gòu)的多材料纖維。結(jié)合纖維內(nèi)流體不穩(wěn)定性形變、冷拉形變、表面微納壓印等原理，熱拉纖維目前突破了單一縱軸向連續(xù)結(jié)構(gòu)，可構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)及功能單元，如圖1所示。

圖1 具有微納結(jié)構(gòu)的熱拉式多材料光電子纖維示意圖

1.1 一維光子帶隙光纖

由于光纖材料對(duì)中紅外光波段具有吸收、散射等效應(yīng)，傳統(tǒng)光纖往往難以實(shí)現(xiàn)對(duì)中紅外光波段的低損耗傳輸，因此通過(guò)光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以降低中紅外光波傳輸損耗成為一個(gè)重要研究方向。由熱拉工藝制備的空芯布拉格光纖成為良好的發(fā)展方向?？招静祭窆饫w通過(guò)高低折射率周期性交替層構(gòu)成光子帶隙(PBG)反射鏡(見(jiàn)圖1(a))，將光波約束在空芯腔內(nèi)進(jìn)行傳播。Temelkuran 等[5]基于全向介質(zhì)鏡纖維制造技術(shù)[6]，圍繞空芯腔構(gòu)造了亞微米厚度的多層光柵結(jié)構(gòu)，高折射率玻璃三硫化二砷(As2Se3)和低折射率聚合物聚醚砜(PES)交替層組成PBG反射鏡，使得10.6 μm波長(zhǎng)的CO2激光可被空芯腔反射并傳導(dǎo)。其損耗小于1.0 dB/m，遠(yuǎn)低于已報(bào)道的可用于CO2激光傳輸?shù)墓饫w損耗[7]，展現(xiàn)了光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中紅外光波段低損耗傳導(dǎo)的潛力，在醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)⒂袕V泛的應(yīng)用前景。

1.2 纖維內(nèi)納米線

熱拉式多材料纖維可具有納米線結(jié)構(gòu)，其制備目前采取2種方式：1)基于熱拉纖維內(nèi)流體不穩(wěn)定性制備；2)采用多步迭代熱拉法制備。2008年，Deng等[8]構(gòu)造同軸多層半導(dǎo)體薄膜預(yù)制棒進(jìn)行熱拉制。薄膜厚度小于一定限度時(shí)，熱拉纖維中的半導(dǎo)體圓柱殼因流體不穩(wěn)定性引起的擾動(dòng)破裂成微米至納米級(jí)細(xì)絲陣列。此外，Kaufman等[9]采用多步迭代熱拉在聚合物PES中制備了50～200 nm玻璃As2Se3納米線。他們首先制備了具有厘米級(jí)直徑的纖維預(yù)制棒并將其拉制為微米纖維；然后，將拉制的纖維組裝于新的預(yù)制棒中進(jìn)一步熱拉，如有需要可重復(fù)拉制步驟。多步迭代熱拉可擴(kuò)展地逐級(jí)降低芯部材料尺度，形成纖維內(nèi)納米線(見(jiàn)圖1(b))。這種獨(dú)特的纖維熱拉納米線具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)：1)在單根纖維中產(chǎn)生多個(gè)纖芯納米線，如1根直徑為1 mm的纖維內(nèi)部即可產(chǎn)生107個(gè)直徑為100 nm的納米線；2)纖維內(nèi)納米線陣列方向可控；3)多材料適配性，熱拉纖維內(nèi)可制備有序均勻金屬玻璃線，其可控特征尺寸低至幾十納米，縱橫比大于1010，解決了納米級(jí)金屬玻璃線制造的技術(shù)難題[10]。

1.3 纖維內(nèi)微納米顆粒

微納米粒子因具有微觀結(jié)構(gòu)并由特殊材料組成，在藥物運(yùn)輸[11]、生物催化及光學(xué)涂層[12]多種領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。微納米粒子制造一般通過(guò)化學(xué)合成、物理拋磨、微納光刻工藝等方式實(shí)現(xiàn)?；诙嗖牧侠w維內(nèi)的界面效應(yīng)，熱加工可誘發(fā)并控制纖維內(nèi)流體不穩(wěn)定性形變，使材料回流、破裂以制備微米及亞微米級(jí)球、棒結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1(c)、(d))。

2012年，Kaufman等[13]首次利用熱拉纖維來(lái)制備尺寸均勻、特殊結(jié)構(gòu)的球形顆粒，采用聚合物PES與玻璃As2Se3熱共拉方式制得纖維，隨后熱處理纖維誘導(dǎo)Plateau-Rayleigh不穩(wěn)定性形變，使纖芯分裂成獨(dú)立的微球結(jié)構(gòu)，為微納粒子制備提供了新路徑。如通過(guò)設(shè)計(jì)纖維界面結(jié)構(gòu)的方法可批量制備Janus球、徑向?qū)ΨQ(chēng)球等復(fù)合結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1(c))。該方法亦可與纖維內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，構(gòu)建具有功能單元的智能感知纖維[14]。Wei等[15]在纖維內(nèi)精密構(gòu)造金屬-半導(dǎo)體微球-金屬光纖器件，金屬導(dǎo)線與半導(dǎo)體微球連接構(gòu)成階梯狀結(jié)構(gòu)，賦予單根玻璃纖維光敏測(cè)量特性，顯著增加了纖維內(nèi)功能器件密度。此外，纖維內(nèi)粒子還可通過(guò)激光熱毛細(xì)對(duì)流進(jìn)行精準(zhǔn)定位與調(diào)控[16]，精密制造半導(dǎo)體光電子器件，未來(lái)有望在可穿戴、成像診斷、地質(zhì)勘查等領(lǐng)域發(fā)揮作用。

不同于上述熱誘導(dǎo)纖維內(nèi)纖芯Plateau-Rayleigh不穩(wěn)定性，紡織工業(yè)中的冷拉伸工藝[17]亦可用于熱拉式多材料纖維的結(jié)構(gòu)調(diào)控。延展性聚合物與脆性材料間的組合具有機(jī)械不匹配性，冷拉伸多材料多結(jié)構(gòu)纖維可用于制造纖維內(nèi)微納米結(jié)構(gòu)棒(見(jiàn)圖1(d))。冷拉伸的聚合物纖維沿軸向生成擴(kuò)展肩，纖芯在肩部周期有序地破碎成微納米結(jié)構(gòu)棒，可制備雙室平行Janus粒子、中空?qǐng)A柱形Janus粒子和帶有方孔的三角形粒子等微納米棒結(jié)構(gòu)[18]。纖維內(nèi)部碎裂在冷拉伸后是熱可逆的，將纖維加熱到其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上會(huì)導(dǎo)致碎裂的纖芯自我修復(fù)。這種動(dòng)態(tài)和熱可逆地控制纖維內(nèi)結(jié)構(gòu)，為微納米多結(jié)構(gòu)棒的可擴(kuò)展生產(chǎn)提供新途徑。

1.4 表面微納米圖案纖維

除了關(guān)注纖維的材料選擇和內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)控外，熱拉式多材料纖維表面亦可構(gòu)建特殊微納米結(jié)構(gòu)，使纖維具有疏水表面、結(jié)構(gòu)生色、抗菌等特性。Khudiyev等[19]構(gòu)造了表面具有特定圖案的預(yù)制棒，熱拉過(guò)程的高拉伸比可制備具有亞微米結(jié)構(gòu)表面的功能纖維。纖維表面形成衍射光柵與各向異性結(jié)構(gòu)，賦予纖維結(jié)構(gòu)生色和定向濕潤(rùn)特性。另一種熱拉表面微結(jié)構(gòu)纖維則是在熱拉過(guò)程中對(duì)纖維進(jìn)行表面壓花處理[20](見(jiàn)圖1(e))。1對(duì)壓花輥固定在熱拉纖維頸縮區(qū)域正下方，由于頸縮區(qū)域的溫度足夠高，壓花輥直接在纖維表面壓印圖案，壓印特征尺寸僅數(shù)十納米。具有表面微結(jié)構(gòu)的纖維可用作摩擦納米發(fā)電纖維，具有顯著增強(qiáng)的電流輸出特性[21]。

1.5 多孔纖維

多孔纖維內(nèi)部存在孔隙結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于氣體分離、濕度傳感[22]和組織工程支架[23]。傳統(tǒng)工藝一般采用相分離聚合物擠出液以批量制備圓柱形狀多孔纖維。基于傳統(tǒng)相分離工藝原理，熱拉工藝可誘導(dǎo)纖維預(yù)制棒內(nèi)聚合物-溶劑混合物相分離，構(gòu)筑多孔纖維。熱拉式多孔纖維可由冷卻速率控制孔隙尺寸，孔隙在500 nm～10 μm范圍內(nèi)可調(diào)[24]。Shahriari等[23]則將鹽浸與熱拉制結(jié)合，制備氯化鈉顆粒與聚己內(nèi)酯(PCL)復(fù)合纖維。纖維浸泡在溶劑中去除鹽顆粒以獲得多孔結(jié)構(gòu)，得到帶有微通道的PCL多孔纖維(見(jiàn)圖1(f))。這些微通道的多孔纖維還能進(jìn)行表面熔融印刷處理，排列成可應(yīng)用于神經(jīng)再生與組織修復(fù)的生物支架。

2 熱拉傳感纖維

纖維及其織物長(zhǎng)久以來(lái)作為服飾、蒙皮等服務(wù)于人類(lèi)社會(huì)，因此，纖維及其織物的智能化發(fā)展可作為人體良好的“無(wú)負(fù)擔(dān)型”傳感與狀態(tài)監(jiān)測(cè)媒介?；跓崂に嚨膫鞲欣w維內(nèi)部可集成具有聲、光、電等特性的多種功能材料，賦予纖維聲波、光電、應(yīng)力及生化傳感功能(見(jiàn)圖2中a～d)。熱拉式傳感纖維具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與多材料多功能集成特性，為纖維的智能傳感與監(jiān)測(cè)提供新的研究思路。

2.1 聲波感知纖維

織物一般由互相纏繞的紗線組成的層級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)中龐大且復(fù)雜的界面可高效地散射并傳播聲子，成為聲波探測(cè)的良好載體，而熱拉式多材料纖維也展現(xiàn)出聲波感知的巨大潛力。Egusa等[25]通過(guò)熱拉工藝在纖維內(nèi)部集成鐵電聚合物，得到能感知千赫茲到兆赫茲頻率的壓電式聲學(xué)傳感纖維。隨后，設(shè)計(jì)出金屬-導(dǎo)電聚合物-壓電層的蛇形纖維結(jié)構(gòu)，解決了聲波感應(yīng)面積最大化與感應(yīng)界面固有能量損失的問(wèn)題[26]。Wang等[27]通過(guò)熱拉工藝將薄層壓電聚合物聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物與金屬電極相集成，研發(fā)了柔性聲波感知纖維器件，其可感知較寬頻率范圍(2～8 MHz)的超聲波。除了探測(cè)高頻聲波信號(hào)外，熱拉式多材料纖維亦可像人耳一樣感知并記錄微小低頻聲波信號(hào)。Yan等[28]采用熱拉法將壓電材料、電極及氫化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)彈性材料集成為柔性聲波感知纖維。該纖維被編織進(jìn)織物中組成聲波探測(cè)織物，可像耳蝸一樣將微弱的聲波振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)聲音的感知與分析(見(jiàn)圖2中a)。

圖2 熱拉式多材料光電子纖維的應(yīng)用領(lǐng)域及展望

2.2 光電感知纖維

基于熱拉工藝制備的金屬-半導(dǎo)體-絕緣體結(jié)構(gòu)功能纖維具有光電感知功能。Abouraddy等[29]設(shè)計(jì)了一種四電極環(huán)繞半導(dǎo)體芯的聚合物光電纖維，可被編織成光電探測(cè)纖維網(wǎng)，在大范圍探測(cè)光場(chǎng)強(qiáng)度與方向(見(jiàn)圖2中b)。得益于熱拉式多材料纖維的結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)特性，光電感知纖維內(nèi)部還能集成布拉格光柵結(jié)構(gòu)[30]，使其具備光譜響應(yīng)功能，顯著增強(qiáng)感應(yīng)電流[31]。熱拉纖維通過(guò)內(nèi)部集成金屬-半導(dǎo)體-絕緣體實(shí)現(xiàn)了光電探測(cè)能力，但芯部較大尺寸的半導(dǎo)體會(huì)給電子-空穴對(duì)帶來(lái)大量的復(fù)合陷阱，限制了纖維的探測(cè)能力。以半導(dǎo)體薄膜替代塊狀半導(dǎo)體，Sorin 等[32]在纖維內(nèi)部集成了8個(gè)光電探測(cè)器，其特征尺寸僅為100 nm。這種獨(dú)特的雙環(huán)光纖能在可見(jiàn)光范圍內(nèi)具有5 nm的波長(zhǎng)分辨率，對(duì)入射光的角度分辨率小于4°，提高了纖維的光電感知性能。另一種策略則是誘導(dǎo)纖維發(fā)生液柱在界面張力作用下破碎成小液滴的自然現(xiàn)象，增大纖維內(nèi)功能結(jié)構(gòu)密度[33]。Dai等[34]展示了外包聚甲基丙烯酸甲酯的銅絲-硒-銅絲光電纖維，實(shí)現(xiàn)了0.11 s的快速響應(yīng)特性。此外，熱拉式多材料光電纖維還可與3D打印技術(shù)相結(jié)合制造出超平面形式的結(jié)構(gòu)[35]，用于探測(cè)飛機(jī)機(jī)翼內(nèi)部的結(jié)構(gòu)缺陷。

2.3 應(yīng)力感知纖維

基于熱拉工藝制備的纖維應(yīng)力傳感器可以檢測(cè)壓力、彎曲、剪切等外部刺激，將其按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，可應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)[36]、人體行為檢測(cè)[37-38]、機(jī)器皮膚[39]等多個(gè)領(lǐng)域。同時(shí)，熱拉式應(yīng)力感知纖維應(yīng)具有較好的柔韌性和延展性，適應(yīng)復(fù)雜的人體曲面。Nguyen-Dang等[40]設(shè)計(jì)了一種懸梁臂結(jié)構(gòu)的微機(jī)電纖維，可實(shí)現(xiàn)單纖檢測(cè)多點(diǎn)壓力與亞毫米級(jí)位置定位，為可穿戴織物大面積傳感與定位提供重要機(jī)遇。上述微機(jī)電纖維外包層是剛性結(jié)構(gòu)，限制了其應(yīng)力傳感范圍(大于0.3 N)。軟彈性體聚合物結(jié)構(gòu)內(nèi)連續(xù)熱共拉導(dǎo)電功能材料可解決上述問(wèn)題，如載碳聚乙烯、液態(tài)金屬。通過(guò)流變學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)分析，SEBS、有機(jī)硅氧烷脲共聚物等彈性體聚合物被識(shí)別出可在高黏度(大于1 000 Pa·s)下進(jìn)行熱拉制[41]。Leber等[42]通過(guò)熱拉工藝制備了柔軟可拉伸的多電極液態(tài)金屬傳輸線。傳輸線通過(guò)電時(shí)域反射儀可在單纖上同時(shí)測(cè)量拉力與壓力并解耦，其壓力的分辨率可達(dá)0.2 N，空間分辨率小于6 cm。單根液態(tài)金屬傳輸線可集成于紡織品中進(jìn)行壓力分布式傳感，實(shí)現(xiàn)紡織品的大面積功能化(見(jiàn)圖2中c)。

2.4 生化感知纖維

基于熱拉纖維的生物化學(xué)傳感器在捕獲和感知目標(biāo)物質(zhì)上展現(xiàn)出高靈敏、易制作、低成本等優(yōu)勢(shì)。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)有毒有害氣體，Gumennik等[43]將光探測(cè)元件整體式集成在聚合物纖維中空芯的兩側(cè)，纖維空芯腔內(nèi)表面涂覆傳感材料，材料可與流經(jīng)纖維芯的過(guò)氧化氫蒸汽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生光波，并被嵌入光纖的光電探測(cè)器感知(見(jiàn)圖2中d)。為了實(shí)現(xiàn)便攜式的定量分析檢測(cè)，Richard等[44]采用熱拉工藝制備了全光纖電化學(xué)傳感器，并使用對(duì)乙酰氨基酚作為個(gè)性化醫(yī)療的模型分析物來(lái)表征設(shè)備性能，其靈敏度與商業(yè)絲網(wǎng)印刷電極相當(dāng)。通過(guò)使用 “電化學(xué)移液器吸頭”，該纖維可直接采樣并分析微升量級(jí)的液體，構(gòu)成一種低功耗、完全便攜的分析儀。

3 柔性能源纖維

智能紡織品可作為人體與外界環(huán)境的一道保護(hù)屏障。通過(guò)物理光學(xué)、材料科學(xué)和紡織工程學(xué)等多學(xué)科融合而產(chǎn)生的熱拉式功能纖維，將有望提供溫度可調(diào)節(jié)及能源可收集的功能性纖維制品(見(jiàn)圖2中e～g)。

3.1 溫控織物

為應(yīng)對(duì)全球變暖和極端高溫挑戰(zhàn)，緩解能源消耗和個(gè)人熱舒適性的矛盾，具有先進(jìn)個(gè)人熱管理功能的智能紡織品受到廣泛關(guān)注[45]。其中，熱電材料是一種能將熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，但其通常塊狀剛性、體積大的特點(diǎn)限制了在人體不規(guī)則表面的應(yīng)用。柔性熱電纖維通過(guò)將熱電材料熱拉為纖維狀，可使熱電器件具有柔軟、輕便等特點(diǎn)，將其集成于日常服裝中可實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)控功能(見(jiàn)圖2中e)。Zhang等[46]在纖維中集成p型Bi0.5Sb1.5Te3和n型Bi2Se3來(lái)制造超長(zhǎng)柔性熱電纖維，其具有與塊狀熱電材料相同的熱電性能，進(jìn)一步編織成柔性織物可實(shí)現(xiàn)最高5 ℃的體溫調(diào)節(jié)。此外，單晶硒化錫(SnSe)也是高性能的熱電代表材料，可實(shí)現(xiàn)高效的熱電轉(zhuǎn)換。Zhang等[47]提出了一種超長(zhǎng)纖維狀單晶SnSe線的制備策略，其具有巖鹽結(jié)構(gòu)和高熱電性能。SnSe材料通過(guò)熱拉工藝產(chǎn)生多晶熱電纖維，然后CO2激光器誘導(dǎo)SnSe纖芯重結(jié)晶為單晶結(jié)構(gòu)，使纖維在862 K時(shí)具有最高為2的高熱電優(yōu)值。

基于對(duì)材料的選擇與結(jié)構(gòu)調(diào)控，熱拉纖維內(nèi)可集成熱電材料以實(shí)現(xiàn)能源纖維的熱管理功能。此外，可通過(guò)纖維材料及織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高紡織品的熱輻射性能，使纖維具有輻射降溫功能。類(lèi)似于熱拉工藝的加熱-軟化-拉絲原理，熔融紡絲工藝亦可實(shí)現(xiàn)多材料能源纖維制備，并可更好地與傳統(tǒng)紡織工藝兼容以批量制備溫度調(diào)控纖維。Zeng等[48]基于輻射降溫的原理和形態(tài)分級(jí)的設(shè)計(jì)理念開(kāi)發(fā)了一種選擇性響應(yīng)的光學(xué)超材料織物，其可在暴曬環(huán)境中為人體降溫近5 ℃，選用聚乳酸為纖維原料，引入不同尺寸的納米二氧化鈦顆粒，獲得了均勻連續(xù)的超材料纖維；進(jìn)一步利用紡紗、織造和層壓技術(shù)，以及米氏散射理論和蒙特卡羅模擬的數(shù)值模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化，得到在太陽(yáng)光波段(0.3～2.5 μm)具有92.4%反射率、在大氣透明光譜窗口(8～13 μm)具有94.5%發(fā)射率的超材料織物(見(jiàn)圖2中f)。這項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了不同學(xué)科之間的交叉融合，并為大規(guī)模制造超材料織物提供了可行的方案，對(duì)傳統(tǒng)紡織工業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展具有重要的啟示。

3.2 柔性纖維電池

隨著人們對(duì)可穿戴電子設(shè)備需求的不斷增加，對(duì)柔性能源纖維的研究尤為迫切，它將使可穿戴電子設(shè)備的全柔性化成為可能[49]。構(gòu)建基于纖維電池的自供電紡織品集成系統(tǒng)是當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。Khudiyev等[50]使用熱拉工藝制備了一種超長(zhǎng)的柔性鋰離子纖維電池，實(shí)現(xiàn)了在柔性包殼中容納多種復(fù)雜的電活性凝膠、粒子和聚合物(見(jiàn)圖2中g(shù))。這種方法可制備出任意長(zhǎng)度、具有復(fù)合功能的鋰離子纖維電池，其中長(zhǎng)度為140 m的纖維電池的放電容量為123 mA·h，放電能量為217 mW·h。柔性纖維電池具有可拓展性和材料可調(diào)性，可適用于各種非平面的電子系統(tǒng)，將來(lái)有望為基于纖維的電子設(shè)備和傳感器供電。

目前，除熱拉工藝外，常見(jiàn)的柔性纖維電池制備工藝還包括以傳統(tǒng)纖維為基礎(chǔ)的纖維表面功能化工藝，也為柔性纖維電池的發(fā)展開(kāi)啟新的窗口。Yang等[51]采用水熱合成法制造了一種基于導(dǎo)電纖維基板的柔性鎳-鐵電池。在電流密度為2 mA/cm2、面能量密度為235.6 μW·h/cm2的條件下，組裝后的纖維狀水基可充電電池的容量為0.294 mA/cm2，可解決電池中易燃有機(jī)電解液帶來(lái)的安全問(wèn)題。受限于低能量密度的鐵基負(fù)極材料，Yang等[52]進(jìn)一步對(duì)高能量密度可穿戴式鎳-鐵電池進(jìn)行了探索研究。以生長(zhǎng)有硫摻雜氧化鐵納米線陣列的碳納米管纖維作為負(fù)極，使用鋅鎳鈷氧化物復(fù)合材料作為正極，纖維狀水基電池的容量為0.46 mA·h/cm2，體積能量密度為67.32 mW·h/cm3，性能優(yōu)于大多數(shù)纖維狀水基二次電池。

4 其它功能特種纖維

4.1 神經(jīng)探針纖維

隨著光遺傳學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展，光纖開(kāi)始作為神經(jīng)探針對(duì)神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行刺激、探測(cè)和調(diào)控。傳統(tǒng)的玻璃光纖易造成生物組織損傷，留下神經(jīng)膠質(zhì)瘢痕。相比之下，熱拉式多材料纖維具有良好的柔性[53]、生物相容性[54]、信號(hào)記錄及藥物運(yùn)輸功能，在神經(jīng)探針領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景(見(jiàn)圖2中h)。

由于神經(jīng)組織彈性模量低，神經(jīng)探針必須有足夠的柔韌性并可經(jīng)受脊髓的反復(fù)拉伸[55]。Lu等[56]研究了一種柔性可拉伸探針，它以熱拉伸聚合物纖維為芯，表面覆蓋一層銀納米線導(dǎo)電網(wǎng)，該結(jié)構(gòu)被封裝在一層聚二甲基硅氧烷中防止其氧化與降解。該探針可以記錄光學(xué)誘發(fā)脊髓神經(jīng)電位，促進(jìn)脊髓損傷后的恢復(fù)。除了改善探針的柔性外，長(zhǎng)期光刺激與信號(hào)探測(cè)有益于理解腦中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病[57]。Du等[58]研究了一種可以長(zhǎng)期產(chǎn)生光學(xué)刺激與神經(jīng)信號(hào)的柔性微小探針，它通過(guò)熱拉工藝嵌入金屬電極于雙包層光波導(dǎo)的聚合物光纖中，具有良好的生物相容性。在小鼠的單細(xì)胞水平上，長(zhǎng)期(至少10周)的光學(xué)刺激和神經(jīng)信號(hào)可得到有效記錄。此外，多材料功能纖維還可用于免疫療法的藥物遞送和腫瘤的阻抗測(cè)量。例如，芯層為聚碳酸酯、包層為聚偏二氟乙烯的光纖中嵌入2根銅電極，可用于腫瘤的阻抗測(cè)量，纖維通過(guò)纖芯中留有的空芯通道用于精準(zhǔn)局部給藥[59]。

熱拉式多材料纖維能夠在單根纖維上將具有不同電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)和流變特性的材料結(jié)合在一起[60]，實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)記錄、光遺傳學(xué)刺激和藥物傳遞等多種功能的集成[61]。除了上述單點(diǎn)式的神經(jīng)纖維探針外，也研發(fā)了空間可拓展的多點(diǎn)式神經(jīng)纖維探針[62]。飛秒激光微加工技術(shù)在沿光纖軸向的不同間隔位置上暴露電極記錄點(diǎn)、微流體通道開(kāi)口和波導(dǎo)窗口，最終實(shí)現(xiàn)單根纖維對(duì)深部腦組織的多點(diǎn)式記錄和操作。

4.2 芯片纖維

半導(dǎo)體二極管是現(xiàn)代計(jì)算、通信和傳感器件的基本組成部分，將其納入紡織級(jí)纖維中可使織物具有通信或生理檢測(cè)等功能。通過(guò)熱拉工藝，商用高性能半導(dǎo)體二極管亦可集成于纖維內(nèi)。Rein等[63]將微型光電芯片嵌入到纖維預(yù)制棒中，通過(guò)熱拉工藝的加熱—拉制過(guò)程，芯片與導(dǎo)線的橫向間距逐漸減小，最終實(shí)現(xiàn)電接觸。發(fā)光二極管和p-i-n光電二極管均已成功整合到光纖中，并且排編織進(jìn)日常織物，形成可測(cè)量心率的光學(xué)脈動(dòng)紡織品傳感器(見(jiàn)圖2中i)。之后，該團(tuán)隊(duì)又使用上述制備方法將具有4個(gè)角定位接觸墊的方形硅微型數(shù)字芯片與鎢絲結(jié)合，制備了一種可長(zhǎng)達(dá)數(shù)十米的數(shù)字光纖[64](見(jiàn)圖2中j)。該柔性光纖每米的存儲(chǔ)密度約為7.6×105bit，整根智能芯片纖維中的芯片可單獨(dú)尋址。當(dāng)將數(shù)字纖維整合到襯衫中時(shí)，它可以收集和存儲(chǔ)多天的體溫?cái)?shù)據(jù)，并通過(guò)經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)推斷佩戴者的活動(dòng)，準(zhǔn)確度可達(dá)96%。

5 展 望

隨著我國(guó)材料科學(xué)與先進(jìn)制造工藝的發(fā)展，纖維及其制品可以通過(guò)涂層、紡絲、沉積及印刷等多種工藝被賦予多種多樣的功能。基于熱拉工藝制備多材料纖維，是近年來(lái)伴隨材料科學(xué)、界面固體力學(xué)、光纖光學(xué)等多學(xué)科發(fā)展而產(chǎn)生的新興制備工藝?；跓崂に囍苽淅w維及其制品，可通過(guò)預(yù)制棒精確地構(gòu)建及集成所需材料與結(jié)構(gòu)。熱拉制過(guò)程中的纖維具有軸向均一性，可保證聲、光、電、熱、磁、機(jī)械等功能材料在纖維內(nèi)高度集成，制備具有復(fù)雜及復(fù)合功能的光電子功能纖維。未來(lái)熱拉式多材料纖維光電子技術(shù)領(lǐng)域的研究還需關(guān)注以下方面。

材料選擇：相較于豐富的紡織纖維材料體系，基于熱拉工藝制備的多材料纖維可選材料依然受限，其功能性依然具有探索空間。應(yīng)進(jìn)一步探索并拓展可適配于熱拉工藝的材料體系，豐富纖維功能及應(yīng)用場(chǎng)景。

纖維結(jié)構(gòu)調(diào)控：基于熱拉工藝制備多材料纖維，雖可在纖維縱軸向及橫截面進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但熱拉工藝仍會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)異常而限制纖維功能性。如何改善纖維內(nèi)部材料的界面微觀結(jié)構(gòu)，提升纖維結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度和精確度，是提升熱拉纖維性能需關(guān)注的關(guān)鍵問(wèn)題。

紡織加工：目前，熱拉式多材料纖維一般通過(guò)織入現(xiàn)有織物而實(shí)現(xiàn)其功能，熱拉式多材料纖維制備過(guò)程尚不能達(dá)到紡織纖維的制備工藝穩(wěn)定度。同時(shí)，由熱拉式多材料纖維構(gòu)成的智能織物其可穿戴、舒適性依然有待提升。為達(dá)到紡織纖維標(biāo)準(zhǔn)，熱拉工藝仍需改善，以便與紡織加工相結(jié)合開(kāi)發(fā)出具有良好可穿戴特性的多功能纖維基智能紡織品。

功能集成：當(dāng)前大多數(shù)熱拉式多材料纖維都表現(xiàn)出單一功能，將多種功能獨(dú)立地集成到單根纖維中仍是重大挑戰(zhàn)。增加單根纖維中的功能器件密度需要保證功能結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，盡可能地縮小其特征尺寸。如何提升熱拉纖維功能集成度及功能單元密度仍需進(jìn)一步探索。

智能織物：當(dāng)單個(gè)纖維可以執(zhí)行傳感、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和通信功能時(shí)，這些纖維所組成的智能紡織品即成為一個(gè)全新的計(jì)算織物[65]。人體穿著于這樣的智能紡織品使得身體大量的聲、光電、生化信息被采集捕捉，計(jì)算織物通過(guò)人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析這些數(shù)據(jù)，進(jìn)一步可從織物中提取人體行為與生理健康等相關(guān)參數(shù)[66]。通過(guò)多功能纖維作為執(zhí)行單元，人工智能技術(shù)作為認(rèn)知引擎可制得一種健康智能體。多種健康智能體可以部署在多個(gè)場(chǎng)景如健康監(jiān)測(cè)、治療、健康保護(hù)和微創(chuàng)手術(shù)中[67]。此外，為了更好地滿足醫(yī)療的智能化需求，提出了由織物作為傳感單元、多層級(jí)網(wǎng)絡(luò)作為傳輸架構(gòu)、人工智能技術(shù)作為計(jì)算核心的織物智能空間的概念[68]。

熱拉式多材料纖維光電子技術(shù)在通信、可穿戴感知、能源、神經(jīng)科學(xué)及人工智能等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。未來(lái)的熱拉式多材料纖維將從單一功能纖維向多參量感知、復(fù)合功能纖維、智能計(jì)算纖維等多方向發(fā)展，在傳感監(jiān)測(cè)、換能儲(chǔ)能、體溫調(diào)控、交互控制、人工智能等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮作用。同時(shí)，熱拉纖維需積極結(jié)合紡織科學(xué)、信息與計(jì)算科學(xué)、材料科學(xué)等多研究方向，進(jìn)一步拓展其場(chǎng)景普適性，提升其穿戴舒適性，發(fā)展其工業(yè)生產(chǎn)批量性。熱拉式多材料纖維光電子技術(shù)有望發(fā)展成為具有新經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)的多功能智能紡織品，為基于纖維及織物的信號(hào)傳感與分析、能源收集與轉(zhuǎn)化、環(huán)境監(jiān)測(cè)與調(diào)控等提供新思路，在人體健康管理、環(huán)境信息監(jiān)測(cè)、設(shè)備智能蒙皮、地學(xué)信息探測(cè)等多研究領(lǐng)域提供可靠解決方案。