作者:张双虎 来源:中国科学报 发布时间:2021/8/11 20:57:18
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发电兼体检 可穿戴材料“全能选手”登场

 

压电折纸用于监测颈椎情况      受访者供图

可穿戴设备正悄悄融入我们的生活。但传统上,用于制造可穿戴设备的压电陶瓷和压电聚合物存在脆性大、压电性弱等缺点。目前,多数研究围绕改善压电性或柔性等单一材料特性展开,而柔性电子设备需要兼顾压电性、柔性、韧性和透气性等多种性能。

基于此,香港城市大学机械工程系教授杨征保团队研发了一种柔性透气,并具有高输出的压电陶瓷复合材料,其内部独特的多级结构能够有效强化其机械性能。在此基础上,研究人员研制出将机械能俘获(发电)和人体运动检测完美结合的复合织物。日前,相关研究已在《科学进展》和《先进功能材料》上发表。

如果你想发电你就拍拍手

用户对舒适度和电池续航能力的需求促进了柔性换能器方面的研究。传统的压电陶瓷,如锆钛酸铅 (PZT),具有很高的压电输出,但其高刚度和脆性极大的特性限制了其在生物能量收集中的应用。另一方面,PVDF等压电聚合物虽然弹性模量较低,但压电性较弱。

基于模板辅助的溶胶—凝胶法,杨征保团队在形成微米级陶瓷复合纤维的基础上,进一步交织成亚毫米级的陶瓷纤维束,最终构建了一个具有三级结构的压电陶瓷复合织物。理论分析表明,这种多级结构有利于提高机械应变和应力梯度,从而进一步提高压电复合材料的电压输出。这种具有多级结构的压电陶瓷织物能够产生128 V的开路电压,120 μA的短路电流,远高于之前报道的工作。

“产生上述电压、电流及瞬时功率密度不需要什么特别的条件。正常人用手去拍击就能实现这样的输出。”杨征保告诉《中国科学报》,“产生电能的多少主要和材料尺寸、压电系数、激励的强度相关。”

这种压电复合织物的主体由PZT陶瓷骨架和P(VDF-TrFE)涂层组成,两侧再贴附铜网作为电极。与采用的织物模板类似,相互缠绕的亚毫米级多股陶瓷纤维构成了PZT陶瓷骨架,而组成陶瓷纤维束的微米级 PZT 纤维则是二级结构。

“包覆PZT陶瓷骨架的P(VDF-TrFE)薄膜不仅为压电复合织物提供了更好的机械性能,而且本身也是压电材料,进一步提高了其压电性能。”论文第一作者、香港城市大学在读博士洪颖告诉《中国科学报》,“这种压电复合织物内部独特的多级孔隙结构,也让其具有良好的透气性。在机械性能方面,相比于传统的压电复合材料,这种压电复合织物具有更高的杨氏模量、断裂强度、拉伸率、韧度及断裂能。在压电性能方面,这种具有多级结构的压电陶瓷织物也远高于之前报道的工作。”

为了评估这种压电复合织物在人体运动监测和能量收集中的潜在应用,研究人员将其制成鞋垫垫于鞋底,从而将人体行走产生的能量转换为电信号。

“正常走路的情况下,单片材料最大瞬时功率约在毫瓦级别。当然由于每片材料都很薄,可以多片叠加让功率翻倍,这要看具体的需求是什么。”杨征保说,“该实验证明了开发的压电复合织物能够用作可穿戴或便携式电子设备的电源,展示了其在生物能量收集和自供电设备中的潜在应用。”

进行运动检测和疾病预警

长时间伏案工作导致的关节类疾病给人们造成了巨大困扰,也带来了工作效率下降和罹患关节炎疾病风险增加等问题。解决这个问题的方法之一是开发出持续监测人体关节运动的检测系统,用来预防关节疾病。目前很多研究中已经提出用可穿戴传感器来获取人体关节的运动信号,但这些传感器大多数结构复杂、材料刚度较大,难以全方位记录人体关节的运动信息。

杨征保团队提出一种基于剪纸结构的高度各向异性压电陶瓷复合材料,通过形成具有多级结构的压电陶瓷复合织物来实现压电复合材料的均衡性能。压电陶瓷骨架与聚合物填料的结合以及三维互联多级结构的设计有利于力的传递和缓解应力集中,大大提高了该复合材料的机械和压电性能。

“其核心原理是1880年居里兄弟发现的压电现象。”杨征保解释说,“这种特殊的智能陶瓷能够将外部施加的机械力(力、应力、血压等)信号直接转化为电信号,再经滤波、模数转换、无线传输和分析,即可用来检测心率、血压、脉搏、关节运动等等。”

这种柔性压电复合材料的核心传感元件是具有蜂窝状剪纸结构的PZT陶瓷网络,而 PDMS高弹体的填充使其具有很好的柔性,能够很好地贴附在人体各关节表面。与现有的很多使用剪纸作为被动元件的技术不同,这里研究人员使用剪纸本身作为主动传感的功能单元。当这种剪纸模板被拉伸后,便具有更好的取向性,这也导致了其压电各向异性的产生。

在模拟和实验中,研究人员都得出了同样的结论,这种具有特殊剪纸结构的柔性压电符合材料具有高达17.3的压电各向异性。也就是说,这种复合材料沿着两个垂直方向弯曲时,其压电输出相差17.3倍。

将具有两层压电复合材料的传感器贴到人的手掌上,便可通过分析上下两层传感器的压电输出,得到手掌的弯曲幅度和弯曲方向。另一方面,当这种传感器被贴到颈椎和肩关节上时,上下两层传感器传出的不同信号也能被用来分析颈椎和肩关节的运动模式,比如判断颈椎是左右扭动还是前后摆动。

在此基础上,研究人员建立了一套关节运动监测和警报系统,在半个小时的监测实验,这套系统不但能判断人体颈椎和肩关节的运动情况,而且还能根据不同情况对这些部位缺乏运动进行警告,从而避免长时间久坐带来的各种关节疾病。

开拓材料设计新方向

“我们的核心创新点不在设备,而在于材料。”杨征保说,“该材料不仅仅压电性能好,综合能力都很好,强度高、抗疲劳性好,而且柔软、透气。这些特性对于柔性电子、可穿戴设备传感都极其重要。”

实验中,研究人员构建了一种基于该压电复合织物的计步器,用于计算走路时的步数。在2分钟内,该计步器成功记录了63步,同时将其显示在手机屏幕上。在人运动时的能量收集(机械能捕获)方面,研究人员在36 秒的踩踏过程中,电容器中存储的电压增加到 3.1V。而存储在电容器中的能量可进一步用于为电子表供电,使其连续工作16秒。

实验证明,这种压电复合织物能够用作可穿戴或便携式电子设备的电源,展示了其在生物能量收集和自供电设备中的潜在应用。

“除具有上述优良特性外,该材料制备工艺简单、可以大规模生产。”杨征保说,“柔性压电薄膜及其复合材料的用途很广泛,不但可用于机械能俘获和人体运动检测,还可用于飞机、大楼和桥梁的结构状态检测、用于从环境中获取能量为物联网传感器供电,同时也是半导体芯片和MEMS领域重要的基础材料。”

相关论文信息:https://doi.org/10.1002/adfm.202104737

                         https://doi.org/10.1126/sciadv.abf0795

 
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