液态金属凭借金属级的导电导热性能与液体级的柔软顺应性，一直被认为是柔性电子、可穿戴医疗以及高效散热等领域的理想材料。然而，一个绕不开的问题是：如何在保持高性能的同时避免其泄漏。液态金属/弹性体复合材料虽有助于解决这一问题，但受其高表面张力与优异流动性影响，在高负载或大变形条件下易出现泄漏，这阻碍着此类材料体系从实验室走向产业化。
为解决这一挑战，在最新发表于Advanced Materials的工作中，清华大学&中科院理化所刘静教授团队联合南京航空航天大学陈森副教授提出了一类新型液态金属复合材料--碳纤维增强液态金属弹性体（Carbon Fiber-Reinforced Liquid Metal Elastomer, CFLME），论文第一作者为单晓晖博士和陈森副教授。研究通过碳纤维表面镀镍来增强与液态金属的润湿性，并利用3D打印实现碳纤维的定向排列，构建出贯穿整个材料的各向异性连续网络。界面调控与结构设计的协同作用让材料在相对较低的填充条件下即可跨越渗流阈值，形成稳定的导电路径。并且，在较低的液态金属填充量的基础上，整个复合材料的电导率提升至3.44×10⁵ S/m，热导率达到7.26 W/(m·K)。更重要的是，碳纤维网络带来的“锁定效应”解决了液态金属的泄漏问题。即便在400%拉伸、1000次循环以及833 kPa压力下，CFLME材料依然保持优秀的防泄漏能力，打破了液态金属基复合材料“性能与稳定性难以兼得”的困境。
一系列应用测试进一步展示了这种材料的潜力：在电磁屏蔽中，CFLME材料的屏蔽效率高达93.74 dB，远超商业标准；在生物传感中，基于CFLME制成的柔性电极可紧密贴合皮肤，获得82.62dB的高信噪比肌电信号，明显优于常规Ag/AgCl电极；在热管理中，作为热界面材料，它能让LED 器件温度降低16 °C，并在多轮热循环中保持稳定表现，展现出卓越的可靠性。
这一成果的价值不仅在于性能数据的突破，更在于提出了一种液态金属复合材料的新设计策略：通过界面工程与结构取向的协同调控，同时兼顾高导电性、高导热性与稳定防泄漏，为柔性电子和高效散热等领域提供一个平台型的材料解决方案。
图1CFLME的制备与界面表征。通过化学镀工艺在碳纤维表面形成均匀的镍层，显著提升了与液态金属的反应润湿性；在酸性环境下，两者形成稳定的Ni–Ga界面相，从而保证了导电网络的长期稳定性。结合3D打印实现纤维的定向排布，材料内部形成连续的各向异性结构，为后续电导与热导的提升奠定基础。
图2 各向异性导电特性与柔性电路打印。定向排布的碳纤维显著降低了平行方向的电阻，导电性提升超过数量级。基于CFLME可直接打印出二维电路和复杂三维结构，电路在折叠、拉伸和扭转下依然保持稳定导通，展示了其在柔性电子中的应用潜力。
图3 电磁屏蔽性能。随着液态金属填充量增加，材料的屏蔽效能快速提升，在50%体积分数时达到93.74 dB，远超商业标准。相比随机取向的复合材料，3D打印得到的各向异性结构进一步优化了导电网络，使得屏蔽效果更为显著，说明CFLME在高频电磁防护中具有巨大优势。
图4 防泄漏性能对比。传统液态金属/弹性体复合材料在冲击或高压下会产生明显渗漏，导致电路失效或环境污染；而CFLME材料依靠碳纤维多孔网络的“锁定”作用，即便在1000次拉伸循环或833 kPa压缩下仍保持无泄漏。破坏性测试也证明其在极端工况下依旧稳定，解决了液态金属复合材料长期存在的泄漏瓶颈。
图5 柔性电极在生物信号采集中的表现。CFLME电极能紧密贴合皮肤，即便在拉伸和压缩下仍保持稳定接触，从而获得清晰的肌电信号。与传统Ag/AgCl电极相比，其信噪比提升至82.62 dB，明显降低了运动伪影和界面阻抗，验证了其在可穿戴健康监测中的应用前景。
图6 热管理性能。得益于碳纤维取向形成的“热通道”，CFLME在平行方向的导热系数达到7.26 W/(m·K)。应用于LED芯片散热时，可将表面温度降低16°C，并在高低温循环中保持稳定，显示出其作为高性能热界面材料的实用价值。
总之，该研究提出的界面工程+结构取向设计范式，为解决液态金属复合材料的性能-稳定性矛盾提供了新路径。上述工作得到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中央高校基本科研业务费等资助。
论文信息：X. Shan#, S. Chen#*, W. Feng, X. Zhu, B. Wang, X. Zhang, R. Yuan, J. Gao, Z. Cui, H. Xu, X. Liao, B. Wu, J. Liu*, Anisotropic 3D-Printed Carbon Fiber-Reinforced Liquid Metal Elastomer for Synergistic Enhancement of Electrical Conductivity, Thermal Performance, and Leakage Resistance. Adv. Mater., 2025
https://doi.org/10.1002/adma.202511498
相关进展
高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn
诚邀投稿
欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至info@polymer.cn，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。
欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。
申请入群，请先加审核微信号PolymerChina（或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。
点
这里“阅读原文”，查看更多