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    中科院納米能源所王中林院士團隊:纖維/織物基壓電和摩擦電納米發電機應用于可穿戴電子和人工智能系統
    2019-07-31  來源:中國聚合物網

      將先進的納米發電技術與傳統紡織工藝相結合催生出基于紡織結構的納米發電機(NGs)。這種結合將不可避免地推動下一代可穿戴電子設備和多方面人工智能系統的快速發展和廣泛應用。納米發電機賦予了智能紡織品以機械能采集和多功能自驅動傳感能力,而紡織品則為其發展提供了多樣化柔性設計載體和廣泛的可穿戴應用平臺。然而,由于在納米發電機的設計者和專注于智能紡織品的研究者之間缺乏有效的交互平臺和溝通橋梁,很難設計出既具有優異電輸出性能又具有突出紡織相關性能的紡織基納米發電機。為此,這篇綜述從基本分類、材料選擇、制備方法、結構設計、工作原理和潛在應用等角度對目前紡織相關的壓電納米發電機和摩擦納米發電機進行了詳細地概括和分析。另外,對阻礙其大范圍商業化應用的潛在困難和挑戰也進行了介紹和分析。本項工作旨在加深智能紡織品與可穿戴納米發電機的聯系,同時推動可穿戴納米發電機的進一步研究和應用。

      近年來,中科院納米能源所王中林院士團隊在纖維和織物基壓電和摩擦納米發電機方面取得了一系列研究工作,相關工作綜述成果以題為“Fiber/Fabric-Based Piezoelectric and Triboelectric Nanogenerators for Flexible/Stretchable and Wearable Electronics and Artificial Intelligence”發表在材料領域頂級期刊Advanced Materials上。論文的第一作者為北京納米能源與系統研究所董凱副研究員彭曉博士,通訊作者為王中林院士。

    圖1 紡織基壓電和摩擦電納米發電機的應用展示

      該綜述文章對智能紡織材料進行了詳細的探討,包括目前紡織品的分類、導電紡織品的選用材料和制備方法等方面進行論述。從結構維度和制備工藝兩個方面對現代紡織品進行分類。從結構維度方面,可以分為零維纖維、一維紗線、二維織物和三維織物。從制備工藝方面,又可以分為機織、針織、編織和非織等方法。對于導電紡織材料,從常用的導電材料和常采用的導電材料施加方法等方面進行介紹。常用的導電材料包括金屬及其衍生物、導電聚合物、碳質填料、液態電極和混合填料等。常見的導電介質施加方法包括涂層、紡絲、電鍍和打印等。

    圖2 從結構維度和制備工藝兩個方面進行紡織品分類

    圖3 對于導電紡織材料常用的導電材料及其施加方法

      之后,該綜述對纖維基或織物基壓電納米發電機和摩擦納米發電機進行了詳細地歸納介紹和分析。并對兩者發電機理、工作模式和電信號特征進行了分析和探討。該綜述對于壓電納米發電機的展開主要分為三個部分,分別為基于單根纖維的壓電納米發電機、基于纖維織造結構織物基壓電納米發電機和基于多層堆疊結構的織物基壓電納米發電機。對于摩擦納米發電機的展開則分為四個部分,分別為基于單根纖維的摩擦納米發電機、基于纖維織造結構的織物基摩擦納米發電機、基于織物堆疊結構的織物基摩擦納米發電機和其他與紡織相關的紡織基摩擦納米發電機。在這四個部分中,根據工作模式,單根纖維摩擦納米發電機又可進一步被分為單電極模式和具有對電極的接觸分離模式。根據施加載荷運動方向,基于纖維織造結構的織物基摩擦納米發電機也可以分為垂直上下運動模式和水平運動的獨立層模式。其他紡織相關的紡織基納米發電機則主要包括靜電紡納米纖維網狀結構和紡織材料融入的膜狀結構。將目前已經報道的紡織基納米發電機與這些分類類別進行對應。

      在結論和展望部分,該綜述對紡織基納米發電機在可穿戴電子和人工智能兩個領域的應用進行了論述。對于可穿戴電子,基于納米發電機的智能紡織品可以實時采集人體運動機械能,將其轉換為可持續的電能,作為人體日?纱┐麟娮釉O備迫切需要的電能,維持這些電子器件的基本工作。也可以直接將產生的電信號作為各種傳感設備的信號來源,用于監測或感測各種作用于人體的信號。對于人工智能,紡織基納米發電機將為人工智能的發展提供可行的實施方案和多樣化的溝通渠道。原則上,紡織基納米發電機可以應用于人工智能的各個方面,諸如健康、服裝、教育、軍事、金融、通信、體育、運輸等等。

    圖4 納米發電機在人工智能領域中的應用

      盡管紡織基納米發電機在理論研究和多方面的應用展示方面已經取得了巨大的成就,然而與實際的大規模商業化應用仍存在巨大的差距。該綜述對目前紡織基納米發電機走向大規模商業化應用存在的挑戰和困難也進行了探討和分析。這些潛在的挑戰主要包括工作穩定性、各種服用性、工業化制備、電輸出能力、評價標準和目標市場等幾個方面。盡管這些潛在的問題嚴重阻礙了紡織基納米發電機的應用進展,但是其大規模發展和商業化應用已經成為不可避免的趨勢。我們堅定的相信這些問題和挑戰將隨著科學技術的進步而得到很好解決?偠灾,我們認為紡織基納米發電機將成為未來人類日常穿著織物的主流。

    圖5 紡織基納米發電機大規模商業化應用的潛在挑戰

      論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201902549

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    (責任編輯:xu)
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