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北卡州立大學(xué)印榮教授團(tuán)隊 Nano Energy：高柔性、耐用、可水洗的摩擦電紗線及刺繡用于自供電傳感器和人機交互
2022-11-12  來源：高分子科技

  紡織品和摩擦納米發(fā)電機 (TENG) 的結(jié)合成功地實現(xiàn)了自供電可穿戴電子設(shè)備和傳感器。然而，由于制造工藝復(fù)雜、生產(chǎn)速度慢、成本高、機電性能差以及設(shè)計能力有限，制造基于紡織品的 TENGs 仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。


  近期，北卡州立大學(xué)Wilson紡織學(xué)院印榮教授團(tuán)隊提出了一種簡單，低成本和可量產(chǎn)的刺繡技術(shù)開發(fā)基于紡織品的 TENG 的新途徑。紗線方面使用了 5 根漆包銅線（50 μm）加捻合股。漆包銅線是一種低成本的商業(yè)材料。它是一根細(xì)銅線外面涂覆了一層聚氨酯材料，同時也是良好的摩擦電材料（圖1）。5根漆包銅線合股之后大大增加了紗線的強力，同時紗線依舊非常柔軟，可以直接用于刺繡（圖2）。此外，漆包銅線經(jīng)過等離子體處理后的摩擦電性能比未經(jīng)等離子體處理的更好，例如最大瞬時功率密度可以達(dá)到 245 μW/m，約為 1.5 倍未經(jīng)處理的紗線 （圖3）。這些新穎的刺繡TENG具有出色的摩擦電性能和超強的可設(shè)計性。一個 5 x 5 cm2 的刺繡樣品在類似的接觸條件下可以產(chǎn)生 300 V 的開路電壓和 8 μA 的短路電流（圖4）？纱┐髂Σ岭姶汤C可應(yīng)用于穿戴的不同身體部位（圖5）；谀Σ岭姶汤C設(shè)計的自供電、全織物數(shù)字鍵盤用作人機界面，具有良好的能量收集和信號收集能力 （圖6）。因此，本研究為適用于下一代智能可穿戴設(shè)備的基于紡織品的 TENG 開辟了一種新的通用設(shè)計范式。 


圖1 單根漆包銅線的摩擦電性能 


圖2 五根合股后紗線的摩擦電性能
 

圖3 等離子體處理后的摩擦電紗線性能表征 


圖4 摩擦電刺繡品的性能測試 


圖5 可穿戴摩擦電刺繡用于不同身體部位 


圖6 基于摩擦電刺繡設(shè)計的自供電、全織物數(shù)字鍵盤


  這項研究工作打破了紡織基可穿戴設(shè)備的復(fù)雜制備工藝，使用了刺繡方法將摩擦電紗線結(jié)合到紡織產(chǎn)品上，系統(tǒng)研究了紗線及刺繡的摩擦電性能及力學(xué)性能，并展示了其在可穿戴上的應(yīng)用。該工作以“Flexible, durable, and washable triboelectric yarn and embroidery for self-powered sensing and human-machine interaction”為題發(fā)表在《Nano Energy》上（Volume 104, Part A, 15 December 2022, 107929）。文章第一作者是北卡州立大學(xué)博士生陳裕。該研究得到北卡州立大學(xué)的支持。


  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107929

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