織物基導電復合材料的制備及在電致發(fā)光器件中的應用進展

中圖分類號：TB381；TB34 文獻標志碼：A 文章編號：1009-265X（2025）08-0001-09

織物基導電復合材料因其輕質、透氣、柔韌、可任意形狀剪裁和可穿戴的特性，易于與各種發(fā)光元件結合，在柔性可穿戴設備領域展現出巨大潛力[1]。研究者們嘗試了多種制備方法，如涂層、層壓、3D打印、原位聚合和熔融紡絲等技術，將碳納米管、石墨烯、金屬納米顆粒和導電聚合物等導電材料嵌入或涂覆于織物基材中，制備出高導電性和耐久性的織物基導電復合材料，可用于電磁干擾屏蔽、應變傳感、熱管理、能量存儲、柔性顯示與柔性電子電路等領域[2]

電致發(fā)光器件具有色彩鮮艷、亮度高、響應快、顏色可調、結構簡單和能耗低等優(yōu)點，廣泛應用于顯示、照明、裝飾和個性化穿戴等領域[3]。其中，交流電致發(fā)光器件（ACEL）的發(fā)光壽命長、結構簡單，并且與現有柔性電子器件通用的制備手段（如絲網印刷、噴墨印花和3D打印等工藝）相匹配，在智能可穿戴領域得到了廣泛研究和關注[4-5] 。

將織物基導電復合材料與電致發(fā)光器件結合，可制備兼具織物柔韌性和電致發(fā)光效果的柔性導電織物基電致發(fā)光器件。這類器件可貼合人體曲線，在彎曲、拉伸、形變和刺穿狀態(tài)下仍能保持穩(wěn)定的發(fā)光性能，且能承受高溫、高濕環(huán)境和反復洗滌，適用于裝飾[6]安全警示[7]、雨水顯示[8]、撞擊檢測[9]健康監(jiān)測[10]等多動態(tài)場景。但織物基導電復合材料在導電性、平整性、均勻性、耐用性、制備工藝上仍存在挑戰(zhàn)，且功能材料按層堆積附著在織物平面上會降低織物的柔軟性。因此，現有的電致發(fā)光器件仍主要采用薄膜或其他彈性材料，如聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺、聚氨酯和聚碳酸酯等為基底[]，而柔性導電織物基電致發(fā)光器件僅多用于圖案照明和基于電場簡單操縱的發(fā)光織物的柔性顯示。針對這些問題，本文介紹織物基導電復合材料的制備方法和優(yōu)缺點，總結其在電致發(fā)光器件中的關鍵應用及優(yōu)勢，討論其在電致發(fā)光器件中應用中面臨的問題。此外，本文介紹織物基電致發(fā)光器件的發(fā)光原理、基本結構、設計思路和制備方法，對現階段的應用進行分析，并對優(yōu)化器件發(fā)光效率和響應時間問題進行討論。

1 織物基導電復合材料的制備方法

織物基導電復合材料通常由導電材料與紡織纖維復合而成，能夠在彎曲、拉伸，甚至剪切和洗滌后仍保持電學穩(wěn)定性，實現電信號的傳輸和控制。隨著納米技術的發(fā)展，這些材料的性能顯著提升、展現出更廣闊的應用前景。織物基導電復合材料的制備方法主要包括涂層法、浸漬法、原位聚合法、層壓法、3D打印法和靜電紡絲法。

1. 1 涂層法

涂層法是通過在織物表面浸涂、旋涂、印刷或噴涂導電材料賦予其導電性。這些方法操作簡單，能夠精確控制導電層的厚度和均勻性，實現圖形化的導電電極及電路，同時保持織物的柔韌性和舒適性，適用于大規(guī)模生產。如Li等[12]通過多次循環(huán)將硫酸銅和硼氫化鈉溶液依次組裝到織物上，再通過氧化還原反應制備導電銅織物。圖1展示了不同循環(huán)次數制備的導電銅織物的SEM圖。從圖1中可以看出，隨著處理循環(huán)次數的增加，織物上負載的導電物質也在增加。

圖1不同循環(huán)次數制備的導電銅織物的 SEM圖[12]Fig.1SEM images of conductive copper fabrics prepared after diffrent times of cycles[12.

然而，由于導電層的不均勻性以及導電材料在變形或摩擦時容易剝落，致使涂層法制備的導電織物的導電性和穩(wěn)定性較低。分析發(fā)現，影響導電層均勻性與穩(wěn)定性的主要原因有三方面：1）織物本身的粗糙度導致涂層不連續(xù);2）涂料的性質，如粘度、顆粒大小和溶劑的揮發(fā)性；3）涂布方式、工藝參數和設備精度等工藝因素。為了解決這些問題，Berendjchi等[13]通過聚吡咯（PPy）的原位聚合填充已涂覆還原氧化石墨烯片（RGO）的滌綸織物的間隙，降低了RGO涂層滌綸織物基材的粗糙性，克服了PPy涂層聚酯織物基材的不連續(xù)性（見圖2），表面電阻率值比僅涂有PPy和RGO的導電織物分別低 53% 和 263% 。Liu等[14]研究發(fā)現，將氧化石墨烯（GO）涂覆在絲綢織物上，再進行熱還原去除氧官能團，可以制備具有良好機械性能和連續(xù)導電網絡的導電織物，這得益于絲綢織物的光滑結構和特性，

圖2 PET纖維的SEM照片[13]

Fig.2SEM images of PET fibers[13]

1. 2 浸漬法

浸漬法是一種簡單、經濟且高效的制備織物基導電復合材料的方法。將織物浸入含有石墨烯、碳納米管、聚吡咯（PPy）、銀納米線（AgNWs）、聚苯胺（PANI）、聚噻吩（PEDOT）和聚苯乙烯磺酸鹽（PSS）

等導電粒子的溶液/分散液中，可使導電粒子填充到織物的孔隙中，形成導電網絡。其中，PEDOT因其穩(wěn)定的摻雜結構，使其具有優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性、膠體加工性和豐富的組裝行為，常與親水的PSS混合，形成聚噻吩：聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT：PSS）水分散液，是浸漬法制備導電織物中應用最廣泛的導電聚合物[15]。Ding等[16]通過將不同的混紡織物浸泡在PEDOT：PSS中，制備了可拉伸的導電織物。在拉伸條件下，電導率會增加，但多次拉伸后電導率會降低。為解決這一問題，Yeon等[17]研究發(fā)現，使用十二烷基硫酸鈉可以增強可拉伸織物加熱器中PEDOT：PSS的導電性與拉伸強度。此外，Zheng等[18]通過多次浸漬還原法在真絲織物表面負載RGO，使絲綢織物在獲得導電性的同時保持良好的柔韌性。為提高導電粒子吸附性差的問題，羅娟等[19]采用浸漬-涂層法在聚吡咯三維間隔導電織物上涂層水性聚氨酯，提高了導電織物的力學性能和電學性能的穩(wěn)定性。

然而，浸漬法并不適用于所有類型的織物，該方法僅適合表面光滑、平整的織物，且浸漬法制備的導電織物的導電性和機械性能嚴重依賴于導電材料的含量、性質及導電涂層的厚度以及粘結劑的相容性。

1.3 原位聚合法

原位聚合法是通過化學或電化學法在織物表面或內部直接合成導電聚合物的方法。這種方法能夠形成均勻的導電層，并且導電聚合物與織物基底的結合力強。目前，有許多原位聚合法制備織物基導電復合材料。肖琪等[20]利用聚合物與RGO的協(xié)同作用，以滌綸織物為基底，采用浸漬法負載RGO和原位聚合法負載PEDOT：PSS與PPy，制備了具有良好導電性和耐水洗性的PPy/PEDOT：PSS/RGO 導電復合織物。呂景春[21]結合界面聚合法對傳統(tǒng)原位溶液聚合法進行改進，將單體吡咯溶于環(huán)己烷中，讓其緩慢釋放進人氧化劑溶液中，同時讓氧化劑（Fe³⁺） 與5-磺基水楊酸鈉形成配合物，減緩PPy的氧化聚合速度，提高導電層的均勻性，獲得性能良好的導電織物。改進原位聚合法制備的導電織物較于常規(guī)原位聚合得到的導電織物表面更加均勻，沒有大量PPy堆積（見圖3）。

圖3織物表面和截面的SEM圖片[21]

Fig.3SEM images of the surface and cross-section of the fabric[21]

1. 4 層壓法

層壓法通過熱壓或冷壓將導電材料與織物結合，形成多層結構的織物基導電復合材料。這種方法可利用不同材料的特性，設計出具有特定功能的復合材料。與單一材料相比，層壓金屬復合材料在低溫和高溫下表現出高抗拉強度、延展性、超塑性以及卓越的損傷關鍵性能和阻尼性能。但層壓過程中需要考慮每一層的厚度、均勻性和位置，工藝復雜，且對壓力和加熱要求高。此外，層與層之間的結合可能不夠牢固，受環(huán)境影響較大，導致強度和導電性下降。汪勝[22]為提高層壓復合織物的服用性能，開發(fā)了一種兼具良好透濕性和粘合性能的環(huán)保反應型濕固化聚氨酯熱熔膠，該熱熔膠具備優(yōu)異的粘合性能，可提升層與層之間的結合性。胡滿鈺等[23]以機織布為表層織物，非織造布為里層織物，乙烯-醋酸乙烯共聚物熱熔膠膜為黏合劑，研究了熱壓工藝條件對復合織物黏接結構和性能的影響，并優(yōu)化熱壓工藝參數，為層壓法制備導電復合材料提供參考。Guo等[24]利用碳納米管/纖維素氣凝膠層、棉織物和銅納米線基導電網絡層，開發(fā)了具有增強光熱轉換、中紅外反射、隔熱和電加熱性能的層壓導電織物。

1.5 3D打印法

3D打印法是一種新興的制造技術，可以通過逐層打印導電材料，在織物表面或內部構建導電結構。這種方法具有生產速度快、覆蓋面積大、材料多樣、設計自由度高等優(yōu)點，并且生產出的導電織物不僅具有高導電性，還具備良好的形變能力[25]。Cao等[26]研究發(fā)現，使用3D打印技術將MXene/納米纖維素復合漿料打印成多種復雜形狀的導電織物（見圖4），這種方法不僅實現了復雜形狀的導電織物制造，還保持了材料的均一性和導電性能。

圖43D打印 TOCNFs/Ti的圖像[26] Fig. 4Images of 3D-printed TOCNFs/Ti[26]

然而，目前3D打印技術在制作織物基導電復合材料時仍面臨一些挑戰(zhàn)，如成本較高、精度和可重復性差、后處理流程復雜、對織物溫度要求高、強度與耐久性受限、制造過程中可能產生廢棄物和污染等。為解決這些問題，Yuk等[27研究發(fā)現，基于PEDOT：PSS的導電墨水，可實現導電聚合物微結構的高分辨率、高通量和快速直接3D打印。Zhan等[28]研究了使用熔融沉積成型-3D打印技術制備短碳纖維增強聚丙烯復合材料的機械、熱和導電性能，拉伸強度提高了 35% ，彎曲強度提高了約 40% ，熱導率增長到 0.266W/（m?K） 。Ji等[29]利用鹽水溶液降低N-異丙基丙烯酰胺的臨界溶解溫度，實現了在室溫下自發(fā)形成物理交聯(lián)的3D打印技術，并通過鹽析效應實現可逆物理交聯(lián)和去交聯(lián)，使聚合物油墨可以回收利用。

1. 6 靜電紡絲法

靜電紡絲法是通過高電壓靜電場將含有導電聚合物的溶液或熔體紡絲成納米纖維，該方法簡單、方便、價低，能制備出具有高孔隙率、高比表面積、均勻性和良好機械性能的導電纖維，廣泛應用于智能材料、過濾膜、能量存儲、傳感器和柔性電子設備等領域。但一些導電聚合物如聚苯胺、聚噻吩和聚咔唑，由于其低溶性和脆性，難以紡成纖維。為解決這一問題，Srinivasan等[30]研究發(fā)現，使用樟腦磺酸作為表面活性劑，可以通過靜電紡絲法制備聚苯胺（PANI）導電纖維。Okuzaki等[31使用甲醇溶劑將可溶性導電聚合物前驅體通過靜電紡絲法紡成納米纖維，并在 250°C 真空下熱處理 12h ，可將前驅體纖維轉化為純導電聚合物纖維。Tang等32使用靜電紡絲的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）纖維作為芯材，將其浸入含有苯胺單體、氧化劑過氧代二硫酸銨和摻雜酸5-磺基水楊酸的混合溶液中，研究發(fā)現， 5°C 下，PMMA纖維表面會生長納米結構的PANI，制得的纖維材料的電導率為 2.123S/cm 。

2 織物基導電復合材料在電致發(fā)光器件中的應用

2.1 織物基電致發(fā)光器件的基本原理

電致發(fā)光器件是一種將電能直接轉換為光能的裝置，通常包括陰極、陽極、電子傳輸層、空穴傳輸層和發(fā)光層等（見圖5（a））[33-34]。通過優(yōu)化這些層的材料和結構，可以控制器件的發(fā)光效率、顏色和亮度，從而提高電致發(fā)光性能，實現更高的發(fā)光效率、更長的使用壽命和更廣泛的應用范圍。根據其發(fā)光原理，電致發(fā)光器件分為注人式電致發(fā)光和本征式電致發(fā)光兩種[35]。如圖5（b）所示[36]，注人式電致發(fā)光（低場電致發(fā)光）通過電極將電子和空穴注入晶體，在晶體內復合，以光的形式釋放能量。而本征式電致發(fā)光（高場電致發(fā)光）則是在強電場作用下，電子能量增加，形成過熱電子，這些電子通過碰撞發(fā)光中心或離化形成電子和空穴，最終在回到基態(tài)時發(fā)光（見圖5（c））[36] O

2.2 織物基電致發(fā)光器件的設計

在電致發(fā)光器件的制作中，器件結構設計至關重要，會直接影響到器件的發(fā)光效率、響應速度和整體性能[37]。器件結構設計通常包括電極設計、發(fā)光層設計、封裝設計幾個關鍵方面。

2. 2.1 電極設計

電極負責注入和提取電荷，對器件的穩(wěn)定性起著關鍵作用。設計時需考慮材料選擇、結構設計及其與織物基導電復合材料的兼容性。電極材料應具備良好的導電性，設計應有利于電荷的均勻注入，并確保與織物基底的良好接觸[38]。目前常用的電極材料包括金屬納米線[39]、透明導電聚合物[40]及其他復合材料。

圖5電致發(fā)光器件的基本結構和電致發(fā)光機理[34，36]

Fig.5Basic structure and electroluminescent mechanism of electroluminescent devices[34，36]

2.2.2 發(fā)光層設計

發(fā)光層是器件的核心部分，對發(fā)光性能有重要影響。設計時需考慮發(fā)光材料的選擇、用量[35]、厚度控制[41]及其與電極的匹配。發(fā)光材料的選擇應基于其發(fā)光效率、顏色純度及與電荷傳輸層的兼容性[42]；厚度則影響著電荷的復合效率和光的提取效率[41]。目前使用的發(fā)光材料有熒光材料[43]、量子點[445]、有機發(fā)光材料[46]及碳基復合材料[47]等。發(fā)光材料可直接添加在織物中，利用發(fā)光纖維制作服裝，或結合LED等電子元件實現發(fā)光效果，從而提高服裝的視覺效果、增強實用性和舒適性。

2.2.3 封裝設計

封裝是保護器件內部結構免受外界環(huán)境影響的重要措施[7。封裝設計需考慮封裝材料的透光性和密封性。封裝方式的簡單、可靠性及其與織物基底的一體化，確保不影響織物基底的可穿戴性和舒適性[48]。目前使用的薄膜封裝技術相比于剛性封裝減輕了器件重量，增加了器件柔韌性[49]，已成為一種先進的封裝工藝，逐漸應用于各類光電子器件中。

2.3 織物基電致發(fā)光器件的制備與應用

柔性導電織物基導電復合材料的導電性能、力學性能和穩(wěn)定性是影響電致發(fā)光器件響應速度和亮度的關鍵指標。導電性能的優(yōu)化可以通過調整導電材料的摻雜程度和改變導電網絡結構來實現；力學性能的優(yōu)化則需要考慮復合材料的柔韌性和耐久性，以適應不同應用場景的需求；穩(wěn)定性與耐久性的改善涉及材料的抗老化性能和長期工作的可靠性；器件亮度的精確調節(jié)需要精準控制電流和電壓，以滿足不同場景的照明需求，

在電致發(fā)光器件的制作過程中，根據設計好的器件結構選擇合適的材料，通過刮涂[35]、噴涂[50]熱壓[51]或印刷[52]等技術將各層材料依次均勻沉積在織物基底上。在沉積過程中，需要控制環(huán)境條件，如溫度和濕度，以保證材料的性能不受影響。沉積完成后，對器件進行熱處理或光固化，以提高材料之間的界面結合力和器件的整體穩(wěn)定性。最后，通過對器件進行封裝，以保護其不受外界環(huán)境的影響，并進行初步的性能測試，確保器件能夠正常工作。

Lin等[53]將碳納米管（CNTs）和鎳/氫氧化鎳二 ΔNi/Ni（OH）₂ ）通過化學電鍍法和水熱工藝進行復合，并采用單面印花方法將其與棉織物結合在一起，再以 CNTs/Ni/Ni（OH）₂ 三元復合材料為正極，CNTs為負極，組裝電致發(fā)光器件，從而在服裝上顯示圖案或信息。Zhang等7通過全噴涂方法制備了具有亮光發(fā)光的電子紡織品，其表現出優(yōu)異的耐久性，在彎曲、針刺、剪切、折疊和卷曲，甚至在劇烈摩擦下都能正常工作（見圖6），可用于體育健身、安全消防、弱勢救助等領域。Zhang等8則將基于電致發(fā)光纖維的液體相應結構制備出的高度集成和個性化圖案的導電-液體橋連接電致發(fā)光織物，應用于液體防護服、環(huán)境警示和視覺交互，當被外界液體入侵時，具有顯著光亮。中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所將一種無溶劑熱層壓工藝與激光雕刻相結合，開發(fā)出具有超高穩(wěn)定性的織物基交流電致發(fā)光器件，并將其集成到服裝上（見圖7），可與外部電路進行通訊，實現動態(tài)像素化顯示數字[53]

盡管織物基導電復合材料在電致發(fā)光器件中的應用取得了一定進展，但仍存在一些問題與挑戰(zhàn)。具體包括：材料的穩(wěn)定性和耐久性較差、剛性材料與紡織材料結合難、續(xù)航不足、大規(guī)模生產的可行性以及成本控制等[54]。未來的研究需要進行深人探索，以推動織物基導電復合材料在電致發(fā)光器件中的廣泛應用。以下是幾個潛在的應用領域[55]：

a）可穿戴電子產品：將其集成到衣物中，用于顯示信息、健康監(jiān)測或作為時尚裝飾，不僅可以提升穿戴者的個性化體驗，還能在運動、醫(yī)療監(jiān)測等方面發(fā)揮重要作用。

b）智能家居：可作為智能家居系統(tǒng)的一部分，用于環(huán)境照明、裝飾或信息顯示屏，提升居住環(huán)境的科技感和舒適度。通過與智能家居系統(tǒng)的無縫集成，用戶可以實現對家中照明和信息顯示的智能控制，增強生活便利性。

c）汽車內飾：織物基電致發(fā)光器件可以用于儀表盤顯示、氛圍照明或安全警示，提高駕駛體驗和安全性。

d）公共信息顯示：在大型公共場所，織物基電致發(fā)光器件可以用于動態(tài)廣告、導航指示或緊急信息顯示，提供高效的信息傳遞方式

e）醫(yī)療保健：織物基電致發(fā)光器件可以用于患者的監(jiān)護設備，或者作為治療輔助工具，可以提高醫(yī)療設備的舒適性和功能性，幫助醫(yī)護人員更好地監(jiān)測和治療患者。

f軍事與安全：織物基電致發(fā)光器件可以用于夜視裝備、隱蔽通信或偽裝，提高作戰(zhàn)效能和士兵的安全性。

3 總結與展望

織物基導電復合材料因輕質、透氣、柔韌、可任意形狀剪裁并具備可穿戴特性，能夠與各種發(fā)光元件結合。這類材料可通過涂層、浸漬、原位聚合、層壓、3D打印和靜電紡絲等方法獲得。將織物基導電復合材料與電致發(fā)光器件結合，可制備兼具織物柔韌性和電致發(fā)光效果的柔性導電織物基電致發(fā)光器件。這類器件能夠貼合人體曲線，在彎曲、拉伸、形變和刺穿狀態(tài)下仍能保持穩(wěn)定的發(fā)光性能，且能承受高溫、高濕環(huán)境和反復洗滌。盡管織物基導電復合材料在電致發(fā)光器件中的應用已取得一定進展，但仍面臨一些問題與挑戰(zhàn)，主要包括材料的穩(wěn)定性和耐久性較差、剛性材料與紡織材料結合較困難、續(xù)航能力不足、大規(guī)模生產的可行性問題以及成本控制等。

隨著新材料和新技術的引入，尤其是智能紡織品和物聯(lián)網技術的融合，織物基導電復合材料和電致發(fā)光器件的應用前景將迎來新的機遇。在這些機遇的驅動下，材料的穩(wěn)定性和耐久性問題需突破，制造成本和工藝需要進一步優(yōu)化。此外，環(huán)境友好性和可回收性將成為重要考量。為應對這些挑戰(zhàn)，需要系統(tǒng)地分析可穿戴產業(yè)的技術瓶頸，提升材料的性能，研發(fā)具有更高穩(wěn)定性和耐久性的導電復合材料；同時，通過引入自動化和智能化生產設備，提升生產效率；并通過簡化工藝流程優(yōu)化制備工藝，在保證性能的前提下，選用更具經濟性的材料。未來，電致發(fā)光器件有望在顯示技術、照明和可穿戴電子設備等領域發(fā)揮更大的作用。

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Abstract：With the development of smart wearable devices and flexible electronics，electroluminescent devices， characterized by high brightness，low energy consumption，and fast response， have gradually become a research hotspot.Electroluminescent devices not only provide rich visual information and immersive experiences but also offr excellent comfort and portability.They exhibit broad application prospects，especially in various fields such as smart clothing，health monitoring， smart homes and display technology.Fabric-based conductive composites，known for their lightweight，breathable，flexibleand freely cuttable properties，offer significant design freedom and comfort for wearable devices.By integrating with various luminescent elements，these composites can provide stable electrical support for electroluminescent devices. Such materials can be obtained through methods such as coating，impregnation，in-situ polymerization，lamination，3D printing，and electrospinning.Combining fabric-based conductive compositeswith electroluminescentdevices through techniques such as scraping，spraying， hot pressing，and printing alows for the preparation of flexible， conductive，fabric-based electroluminescent devices that integrate the flexibilityof fabricswith electroluminescent effects.These devices can conform to the contours of the human body，maintaining stable luminescent performance evenunder bending，stretching，deformation，and puncturing，and can withstand high temperatures，high humidity environments，and repeated washing.Therefore，they have broad applications in fields like fashion design，smart homes，health monitoring，and motion tracking.Despite some progressin the application offabric-based conductive composites in electroluminescent devices，several chalenges and isses remain.These primarily include poor material stabilityand durability，dificulties in combining rigid materials with textilematerials，limited batery life， feasibility concerns for large-scale production， and cost control.With the introduction of new materials and technologies，particularly the convergence of smart textiles with the Internetof Things，fabric-based conductive composites and electroluminescent devices are poised to embrace new opportunities for application.Driven by these opportunities，it is imperative to overcome the challenges of material stability and durability，and further optimize manufacturing costs and processes.Furthermore，environmental friendlinessand recyclability will become important considerations.Toaddress these challnges，it is necessary to systematically analyze the technical botlenecks in the wearable industry，enhance material performance，and developconductive composites with higher stabilityand durability.Meanwhile，by introducing automated and intellgent production equipment，production eficiency can be improved.Furthermore，optimizing the preparation process by simplifying it and selecting more economical materials while ensuring performance willbe crucial.In the future，electroluminescent devices are poised to play a greater role in display technology，lighting，and wearable electronic devices.

Keywords ： fabric-based conductive composites；electroluminescent devices; preparation technology； flexibility