作者:王敏 来源:中国科学报 发布时间:2024/6/17 13:46:36
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会“发电”的衣服

 

拍打衣服,它就会“发电”,可以当充电宝使用,给手表或手机充电。更厉害的是,在火灾中,衣服“毫发无伤”,穿戴者通过拍打衣服,甚至可以向救援人员发送求救信号……

这件有“魔力”的衣服正是安徽农业大学教授龚维团队及其合作者的最新作品——摩擦电玄武岩纺织品。

石头可以制衣服、衣服还会“发电”,其中的科学原理是什么?何时能真正应用到生活中?近日,《中国科学报》记者采访了龚维。

研究人员对摩擦电玄武岩纺织品进行高温火焰煅烧实验。受访者供图

点“石”成衣

“玄武岩是一种常见的普通铺路石料,在地球和月球上的含量都很丰富。经过特殊手段处理后,玄武岩能改变形态,变成一种泛着金属光泽的高性能纤维材料——玄武岩纤维。更可贵的是,制造玄武岩纤维的过程中基本没有有害物质排出,对环境污染很小。”龚维介绍。

事实上,我国已把玄武岩纤维列为重点发展的四大纤维材料之一,实现了工业化生产。

“但目前,玄武岩纤维的应用主要还是体现在复合材料的增强上。”龚维说,例如,在建筑和土木工程上,用于混凝土中,提高材料的结构强度和耐久性;在航空航天和汽车工业中,用于制造轻量化和高强度的复合材料部件;在海洋工程中,用于制造耐腐蚀的腐蚀材料;还广泛用于防火板和隔热材料上。

此次工作中,龚维等人大胆创新,采用模拟月壤为原材料,生产出可定制化的玄武岩纤维,进而制备出一种摩擦电玄武岩纺织品。

 “采用模拟月壤是为了后续使用真实月壤做铺垫。我们希望,未来能够在月球上直接就地取材,制备出月球基地所需的建筑材料。” 龚维强调,地球上的玄武岩也可达到类似效果。

摩擦起电是人们日常生活中的常见现象,摩擦电玄武岩纺织品正是利用了这一效应。“我们在玄武岩纤维中,添加了一种聚酰亚胺纤维。当两种不同的纤维发生摩擦接触时,就可以将人体运动产生的能量转化为电能。” 龚维解释道。

除了会“发电”,他们还开发了一种可穿戴极端温度报警系统。火灾现场,穿戴者可通过拍打衣服,实时向救援人员传递警示信号,表明他们的存在和位置。

龚维介绍,经过一系列实验证明,这种新型纺织品可以在极端高温(520摄氏度)或极端低温(零下196摄氏度)环境中发电,未来有望应用在高低纬度、高海拔、沙漠、甚至于太空等极端环境中。

研究人员对摩擦电玄武岩纺织品进行低温液氮冷冻实验。受访者供图

苛刻的温度要求

把坚硬的石头变成衣服,还是会“发电”的衣服,并非易事。

从玄武岩到纤维需要经过熔融和拉丝两个过程:先把大块的玄武岩放置在高温1500摄氏度下熔融2至4小时,碎成均匀的小颗粒,再把小颗粒置于纺丝设备中,在1350摄氏度下拉制成玄武岩单丝。

 “这两个过程,都对温度的要求非常苛刻。” 龚维说,在熔融阶段,温度太低,玄武岩可能没有完全熔化,还有小颗粒掺杂在里面,很容易出现气泡、结石,形成新的颗粒;在拉丝阶段,熔融温度太高,玄武岩熔体的粘度下降,降低拉丝效率及纤维强度。

除了温度,拉丝的速度也会影响玄武岩纤维的质量。

“刚出的丝就像婴儿,出生时很脆弱,需要小心呵护。如果用力过大,一下就会把丝拉断;等婴儿长大,就需要加快速度,给它一个牵伸的力,促使它成长。”龚维说。

为了提高玄武岩纤维品质,他们对熔融、拉丝温度和技术进行了大量攻关研究,经历过无数次的失败和尝试。

摩擦电玄武岩纺织品的设计思路图。受访者供图

从可戴到可穿

让摩擦电玄武岩纺织品真正可穿,是龚维他们下一步要解决的问题。

龚维介绍,“我们设想在玄武岩纤维成型之后,通过涂油器在纤维表面涂覆一层浸润剂,增强纤维的柔软度、强度,即俗称的给纤维‘上油’。或是在玄武岩单丝外面包裹一层柔软度好的舒适性纤维。”

随着科学技术的不断发展,当今的纺织已不再局限于满足日常的衣食住行需求。龚维的终极目标是,从服装的角度出发,把一切可戴的电子产品全部做成可穿的。

因此,在解决摩擦电玄武岩纺织品可穿的问题后,他们将在衣服上“做文章”,提升发电效率,同时进行更多的电子化设计。

“例如,目前衣服的发电效率还是比较低,只能用于手表或手机的应急充电。可穿戴极端温度报警系统的信号传递也都是有线的,未来希望做到无线,以提升纺织品器件的信号稳定性与人体舒适性。”龚维期望着,未来,在衣服上能实现更多功能。

相关论文信息:https://doi.org/10.1002/adma.202401359

 
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