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    中科院納米能源所王杰&王中林團隊《Nat.Commun.》:基于摩擦納米發電機的形狀可設計且高度壓縮回彈的三維編織結構智能發電和傳感織物
    2020-06-11  來源:高分子科技

      為應對未來以人為導向可穿戴功能性電子設備和分布式微納傳感網絡快速發展帶來的電能供應和無負擔式攜帶的挑戰,新一代智能紡織品將傳統紡織工藝與摩擦納米發電技術相結合,所開發的摩擦納米發電織物有利于實現自主式機械能收集利用和自驅動信號傳感。然而,基于摩擦納米發電機智能紡織品的大規模應用目前仍存在兩大瓶頸—電量輸出低和傳感能力弱。因此,設計一種具有高功率輸出和高傳感靈敏度的智能發電織物是極其有必要的。


      近日,中國科學院北京納米能源與系統研究所王杰研究員和王中林院士研究團隊在智能發電與傳感織物方面取得新進展,相關研究成果發表在《Nature Communications》上。針對以上問題,本文提出一種基于摩擦納米發電機的形狀可設計且高度壓縮回彈的三維編織結構智能發電和傳感織物。這種三維編織智能發電和傳感織物由外編織支撐框架和內軸芯柱組成三維空間框架柱結構,能夠實現在壓縮載荷卸除下的快速回復。該三維編織智能發電和傳感織物具有高的壓縮回彈性(壓縮回彈系數:60%)、多樣的截面形狀設計(矩形、正方形、圓環形等)、增強的電量輸出(峰值功率密度:26 W m-3)、微小壓力快速響應以及振動能量收集能力。該研究工作將這種三維編織結構智能織物應用在具有人體運動行為監測和遠距離安全救助功能的智能鞋、以及具有入口防護和入侵預警功能的自驅動身份識別地毯中。該研究工作的第一作者為董凱副研究員,彭曉碩士為共同第一作者,王杰研究員和王中林院士為通訊作者。


    圖1. 能量(發電)紗的結構設計以及性能分析。(a) 多軸向紗線纏繞機的結構示意圖,其中左上角放大部位為交織口。(b) 具有連續多軸向纏繞紗線的紗軸照片。(c) 一種具有十軸向纏繞紗線的表面形貌SEM圖。(d) 十軸向纏繞紗線的結構示意圖。不同顏色設計的目的是便于觀察單個紗線在多軸向纏繞紗線中的分布和移動軌跡。(e) PDMS包覆能量紗的橫截面SEM圖。(f) 纏繞紗線數量對能量紗電輸出性能的影響。(g) 不同直徑PDMS包覆能量紗的實物照片。(h) PDMS包覆直徑對能量紗電輸出性能的影響。(i) 在PDMS包覆能量紗直徑為2 mm、纏繞紗線根數為8根和加載頻率為3 Hz的條件下,PDMS包覆能量紗在不同外接電阻下的電流密度和功率密度。


    圖2. 三維編織摩擦納米發電織物的結構特征、工作原理和輸出性能。(a) 三維編織摩擦納米發電織物的結構特征,其主要包括外編織支撐框架和內軸芯柱兩部分。(b) 三維編織摩擦納米發電織物的實物照片。(c) 三維四步法矩形編織工藝示意圖。(d) 攜紗器在編織機床中的分布,其中編織紗攜紗器和軸紗攜紗器分別用“O”和“X”來表示。(e) 單根攜紗器及其綁定紗線的運行軌跡。單根編織紗攜紗器及其綁定紗線分別用橙色和黑色線表示,單根軸紗攜紗器及其綁定紗線用藍色線表示。(f) 三維編織摩擦納米發電織物在垂直接觸分離模式下的工作原理示意圖。(g-i) 三維編織摩擦納米發電織物在不同加載頻率下(1-5 Hz)的電輸出性能,包括開路電壓(g)、短路電流(h)和短路電荷傳輸(i)。


    圖3. 編織參數對三維編織摩擦納米發電織物的電輸出性能影響。(a) 比較三維編織摩擦納米發電織物與多層堆疊二維三軸向編織發電織物的短路電流輸出,其中它們各自照片和結構示意圖顯示在相應曲線下方。(b) 具有正方形和圓環形截面三維編織摩擦納米發電織物的結構示意圖和實物照片。(c) 比較具有矩形、正方形和圓環形截面三維編織摩擦納米發電織物的功率輸出密度。(d) 編織紗數量(包括3 × 3, 5 × 5, 7 × 7和9 × 9)對三維編織摩擦納米發電織物的電輸出性能影響。(e, f) 比較正方形截面三維編織摩擦納米發電織物在不同編織紗線數量下的(e)電流和(f)功率輸出。(g) 編織角(包括30°, 45°和60°)對三維編織摩擦納米發電織物的電輸出性能影響。(h, i) 比較正方形截面三維編織摩擦納米發電織物在不同編織角下的(h)電流和(i)功率輸出。


    圖4. 三維編織摩擦納米發電織物的壓力靈敏度、工作穩定性和可洗性。(a)三維編織摩擦納米發電織物在壓縮、保持和釋放過程中的載荷位移曲線。(b) 三維編織摩擦納米發電織物在不同壓力載荷下的開路電壓和短路電流輸出。(c) 三維編織摩擦納米發電織物對不同外界物體的壓力靈敏度。(d) 在振動頻率為10 Hz時,三維編織摩擦納米發電織物的振動機械能量收集能力。其中,嵌入的上下圖片分別為放大的開路電壓輸出曲線和振動能量采集原理。(e) 在連續加載一個月后,三維編織摩擦納米發電織物的穩定性和耐久性分析。(f) 在洗滌20次后,三維編織摩擦納米發電織物的可洗性分析。(g)三維編織摩擦納米發電織物在驅動電子器件時的充電電壓曲線。其中嵌入的圖片為電子器件在啟動工作時的狀態。


    圖5. 一種智能鞋類系統用于人體運動行為監測和遠距離緊急救援。(a) 用于實時人體運動狀態監測的智能鞋類系統的流程圖,包括信號采集系統、無線傳輸模塊、數據處理程序和軟件輸出界面。(b) 智能鞋類系統在走路(藍色)和跑步(紫紅色)交替運動狀態下的實時電壓信號。(c, d) 在走路(c)和跑步(d)下的放大電壓信號比較,其中走路和跑步每一步所需間隔時間分別為12秒和6秒。(e) 智能鞋類系統在夜間安全防護和遠距離緊急求助的應用演示。


    圖6. 一種自驅動身份識別地毯用于安全防護和入侵預警。(a) 自驅動身份識別系統的流程圖。其中,在屏幕上將會顯示三種狀態,包括“√”、“×”、和“×”并同時伴有報警聲。(b) 在身份識別地毯上人體運動軌跡的示意圖。其中,紫紅色、藍色和棕色虛線分別表示整個人、左腳和右腳的運動路徑。(c, d) 設定的行走密碼路徑(c)和實時行走軌跡路徑(d)的示意圖。(e-g) 在身份識別地毯上的實時行走軌跡,包括正確密碼路徑(e)、首次錯誤密碼路徑(f)和連續三次以上錯誤密碼路徑(g)。64個相應傳感單元的電壓信號呈現在相應運動軌跡的下方,并且所踩到的傳感單位的位置被標注在每個曲線上方。


      全文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-16642-6


    參考文獻:

    1. Dong K, Peng X, Wang J. Wang Z L. et al. Shape adaptable and highly resilient 3D braided triboelectric nanogenerators as e-textiles for power and sensing. Nature Communications, 2020, 11: 2868.

    2. Dong K, Peng X, Wang Z L. Fiber/Fabric-Based Piezoelectric and Triboelectric Nanogenerators for Flexible/Stretchable and Wearable Electronics and Artificial Intelligence. Advanced Materials, 2020, 32(5): 1902549.

    3. Dong K, Wu Z, Deng J, Wang A. C, Zou H, Wang Z L, et al. A Stretchable Yarn Embedded Triboelectric Nanogenerator as Electronic Skin for Biomechanical Energy Harvesting and Multifunctional Pressure Sensing. Advanced Materials, 2018, 30(43): 1804944.

    4. Dong K, Deng J, Ding W, Wang Z L, et al. Versatile core-sheath yarn for sustainable biomechanical energy harvesting and real-time human-interactive sensing. Advanced Energy Materials, 2018, 8(23): 201801114.

    5. Dong K, Deng J, Zi Y, et al. 3D Orthogonal Woven Triboelectric Nanogenerator for Effective Biomechanical Energy Harvesting and as Self-Powered Active Motion Sensors. Advanced Materials, 2017, 29(38): 201702648.

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