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  近年來(lái)，柔性軟測(cè)量技術(shù)的蓬勃發(fā)展推動(dòng)了柔性可穿戴電子產(chǎn)品的飛速普及，實(shí)現(xiàn)了人體運(yùn)動(dòng)和生理參數(shù)的有效測(cè)量，重塑了人類(lèi)的生活方式。特別地，摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)是一種基于摩擦電和靜電感應(yīng)耦合效應(yīng)的自供電傳感裝置。由于其制作簡(jiǎn)單、無(wú)需外界供電，其在生物醫(yī)學(xué)和可穿戴健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而基于高分子基體和導(dǎo)電物質(zhì)的自供電傳感器仍存在諸多局限性，其中限制自供電傳感器進(jìn)一步工程應(yīng)用的主要瓶頸是脆弱的力-電性能。傳統(tǒng)的柔性器件在動(dòng)態(tài)沖擊載荷下，其結(jié)構(gòu)和傳感性能往往會(huì)受到破壞，且沖擊動(dòng)能也會(huì)傷害到穿戴者本身。雖然已有部分工作開(kāi)始嘗試提高柔性器件的抗沖擊性能和電學(xué)穩(wěn)定性，但相關(guān)材料的力學(xué)強(qiáng)度可控范圍較小，目前仍無(wú)法有效抵御尖銳物體的沖擊傷害。因此選擇高性能相變材料開(kāi)發(fā)可變剛度的自供電多功能傳感器才能夠有效抵御復(fù)雜應(yīng)力載荷，實(shí)現(xiàn)有效傳感監(jiān)測(cè)的同時(shí)起到保護(hù)人體免受傷害的作用，從而在個(gè)人健康管理和術(shù)后康復(fù)運(yùn)動(dòng)治療等領(lǐng)域創(chuàng)造重要應(yīng)用價(jià)值。

  本研究以硼酸和羥基硅油為原料制備得到剪切變硬彈性體，并將其與銦鉍錫合金和鋁箔進(jìn)行封裝得到LM-TENG。流變學(xué)測(cè)試表明，剪切變硬彈性體在剪切應(yīng)變從1%到100%的過(guò)程中，儲(chǔ)能模量在經(jīng)過(guò)了臨界點(diǎn)后急劇下降，體現(xiàn)出從線性粘彈性階段到非線性粘彈性階段的過(guò)渡。由于聚合物自身的率相關(guān)性，隨著振蕩剪切頻率從0.1Hz增加到100 Hz，其儲(chǔ)能模量與損耗模量分別呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)且改變了幾個(gè)量級(jí)，表現(xiàn)出了良好的剪切變硬特性。 

  通過(guò)兩種不同摩擦極性的材料在接觸-分離的過(guò)程中的電子得失，實(shí)現(xiàn)摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)的作用。在動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀(DMA)上測(cè)試了能量收集能力，通過(guò)改變負(fù)載電阻獲得輸出電壓信號(hào)和電流信號(hào)。當(dāng)負(fù)載電阻的阻值為 104 Ω時(shí)，LM-TENG 產(chǎn)生的電壓低至 0.05 V，而當(dāng)電阻大于 106 Ω 時(shí)兩端電壓逐漸上升，最終在 109 Ω 時(shí)達(dá)到 40.81 V。作為電源，LM-TENG可以通過(guò)整流電路有效地為商業(yè)電容器充電。例如，0.47μF的電容器可以在15 s內(nèi)達(dá)到8.26 V的電壓，表現(xiàn)出良好的可循環(huán)充放電性能。 

  探究了可穿戴 LM-TENG 電子器件在不同負(fù)載電壓下的焦耳熱性能。當(dāng)電壓從 1 V 增加到 3 V 時(shí)，LM-TENG 的最高飽和溫度從 46.4 ℃ 迅速上升到 173.0 ℃。此外，還研究了電熱性能的可重復(fù)性。 在施加的電壓分別為 2 V 和 3 V 的20次開(kāi)-關(guān)-開(kāi)后，LM-TENG 仍保持穩(wěn)定的熱性能（LM-TENG 的表面溫度分別約為 50 和 75 ℃）。此外，LM-TENG 的溫度在 86.8 ℃ 左右達(dá)到飽和，即使在施加恒定電壓超過(guò) 30 分鐘后也能保持穩(wěn)定，證實(shí)了長(zhǎng)時(shí)間加熱的可靠性和耐久性。紅外熱成像相機(jī)顯示，在 1 到 3.5 V 的電壓下，LM-TENG 的溫度從 25℃可以持續(xù)上升到 110.7 ℃。LM-TENG 所體現(xiàn)的焦耳熱效應(yīng)，證明了其在熱理療康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。 

  準(zhǔn)靜態(tài)擠壓測(cè)試與動(dòng)態(tài)刀頭沖擊試驗(yàn)分別在萬(wàn)能拉壓試驗(yàn)機(jī)(MTS)和落錘實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行。從不同的高度釋放刀具質(zhì)量塊，被刺穿的參考紙的數(shù)量有效地量化了背襯材料被穿透的深度，從而評(píng)估破壞的嚴(yán)重性。LM-TENG在循環(huán)載荷下呈現(xiàn)出更好的可靠抗沖擊性能。例如，當(dāng)?shù)毒?/span>的下落高度為100 mm時(shí)，SSE下方的參考紙被完全破壞，而在LM-TENG的保護(hù)作用下，刀具在從500 mm處釋放時(shí)參考紙才被完全穿透。在相同的沖擊能量下，LM-TENG減少了背襯材料之間的穿透層數(shù)。這是因?yàn)閮?nèi)部具有一定機(jī)械強(qiáng)度的液態(tài)金屬能夠提高SSE材料的抵抗破壞能力。液態(tài)金屬的有效壓縮模量比純SSE高3個(gè)數(shù)量級(jí)。簡(jiǎn)言之， LM-TENG可以承受更多的沖擊載荷，表現(xiàn)出顯著的沖擊防護(hù)性能。 

  新型智能材料的應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)和醫(yī)療診斷領(lǐng)域取得了巨大的成功。它為許多疾病的治療和病人的康復(fù)帶來(lái)了極大的便利。骨折患者在康復(fù)階段往往需要使用石膏輔助固定，雖然石膏的固定能促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)，但也會(huì)使病人感到痛苦與不便。同時(shí)，病變部位有時(shí)會(huì)產(chǎn)生疼痛，但石膏不能給予相應(yīng)的治療。不僅如此，患者后期也需要通過(guò)運(yùn)動(dòng)逐步康復(fù)，而石膏的拆除和安裝相對(duì)復(fù)雜，醫(yī)生也很難評(píng)估患者的運(yùn)動(dòng)狀況和病變恢復(fù)情況�；谀壳暗难芯楷F(xiàn)狀所設(shè)計(jì)出的具有焦耳加熱、剛度可控、自供電感應(yīng)和抗沖擊性能的LM-TENG作為智能石膏，在評(píng)估骨折患者佩戴舒適度以及康復(fù)程度方面顯示出巨大的潛力。 

  本工作通過(guò)將剪切變硬彈性體與液態(tài)金屬和鋁箔進(jìn)行封裝，開(kāi)發(fā)出一種多功能的基于液態(tài)金屬的摩擦納米發(fā)電機(jī)，具有良好的能量收集能力、顯著的電熱性能以及在沖擊條件下優(yōu)異的防護(hù)表現(xiàn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)探索，研究了作為新型智能醫(yī)用石膏的可能性，體現(xiàn)了它為多功能傳感器和智能可穿戴電子設(shè)備蓬勃發(fā)展的道路上帶來(lái)富有創(chuàng)造性改變的潛力。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108280

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