相信大家在中學物理課上都學過一個簡單的電學知識，那就是一塊導體因為其橫截面積的減小，它的電阻在拉伸時會增大。然而，最近由澳大利亞伍倫貢大學李衛華教授和唐詩楊博士領導的研究組與美國北卡羅萊納州立大學Michael Dickey教授組成的聯合研究團隊合成的一種新型復合材料似乎打破了這一規律。與傳統導電材料不同，這種由液態金屬、磁性金屬粉末和高分子彈性基底合成的導電材料在被拉伸時電阻會劇烈減小，在拉伸量僅有10%的情況下其電阻率就能減小到初始阻值的千萬分之一，并且在拉伸量曾加到30%的情況下其電阻率甚至能減小到初始阻值的一億分之一！那么，究竟是什么原因讓這種材料具有了如此神奇的性質呢？且聽筆者一一道來。

要解釋這種材料的原理，就不得不先介紹一下彈性導電復合材料。這一類材料一般由彈性絕緣基底和導電填充材料混合而成，兼具了良好的導電性和彈性體的可變形功能。然而，魚與熊掌不可兼得，傳統的彈性導電復合材料在拉伸時導電性能會有明顯下降：一旦材料被拉伸，其中的導電填充填料就會互相分離，使得其導電能力大打折扣。因此，在機械變形時維持材料的高電導率就成為了目前導電復合材料領域一個至關重要的課題。

傳統復合材料在拉伸時其中的導電顆粒互相分離

為了解決這一難題，該研究團隊成員基于他們豐富的關于液態金屬材料研究的相關經驗，創新性地將液態鎵銦合金微液滴和固態金屬微粉末混合加入彈性基底，制作出了這種混合填料復合材料。EGaIn鎵銦合金中的鎵銦比例為3:1，在常溫下即可維持液態，兼具高導電性、可變形性與高表面張力，是導電填料的理想選擇。這種復合材料的制作過程并不復雜，只需將固液兩種填料和液態基底混合攪拌均勻，真空脫氣后在烤箱中固化定型即可。實驗結果表明，一旦材料固化定型，其電阻率在壓縮、拉伸、彎曲和扭轉等任何機械變形下均會劇烈下降。

液態金屬復合材料的的電子顯微鏡圖像以及其電阻率-應變曲線

由于較大的表面張力，液態金屬在材料中會形成直徑在20微米左右的液滴，遠大于直徑3微米左右的金屬顆粒。在材料被拉伸時，這些液態金屬液滴會隨著彈性基底一同變形，這防止了導電填料的分離；同時液滴和垂直于拉伸方向的金屬顆粒之間距離減小，使得它能夠聯通附近的金屬粉末從而提升材料的整體導電性。COMSOL模擬計算結果表明，這種固液填料混合的復合材料結構可以在機械變形時增加彈性體內部導電填料的電接觸點的密度，從而大大提升材料的電導率。

此外，研究人員還進一步研究了復合材料對磁場的響應以及導熱性能，并開發了磁壓傳感器，柔性加熱膜等應用。其中柔性加熱膜能夠感應表面壓力大小并自動調節加熱溫度，而且結構簡單不含傳感器等電路元件，可以任意裁剪，方便應用在柔性設備上。由于其具有出色的機械，電氣和熱傳導性能，我們相信該復合材料在傳感器，軟體機器人和可穿戴設備領域具有廣闊的應用前景。

使用液態金屬復合材料制作的柔性加熱膜工作原理和智能加熱可穿戴設備

近日，該成果以“Liquidmetal-filled magnetorheological elastomer with positive piezoconductivity”為題，發表在《自然·通訊》雜志上（Nat. Commun., 2019, 10, 1300）。該論文第一作者為澳大利亞伍倫貢大學博士研究生贠國霖。澳大利亞伍倫貢大學唐詩楊博士和李衛華教授，以及美國北卡羅萊納州立大學Michael Dickey教授為共同通訊作者。

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https://www.nature.com/articles/s41467-019-09325-4

來源：高分子科學前沿