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伍倫貢大學(xué)李衛(wèi)華團(tuán)隊、中國科大王勝課題組《Nano Energy》:具有優(yōu)良電-熱-力耦合性能的自供電傳感器及智能石膏的應(yīng)用研究
2023-02-18  來源:高分子科技

  近年來,柔性軟測量技術(shù)的蓬勃發(fā)展推動了柔性可穿戴電子產(chǎn)品的飛速普及,實現(xiàn)了人體運動和生理參數(shù)的有效測量,重塑了人類的生活方式。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。由于其制作簡單、無需外界供電,其在生物醫(yī)學(xué)和可穿戴健康監(jiān)測等領(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)的柔性器件在動態(tài)沖擊載荷下,其結(jié)構(gòu)和傳感性能往往會受到破壞,且沖擊動能也會傷害到穿戴者本身。雖然已有部分工作開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)強度可控范圍較小,目前仍無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,實現(xiàn)有效傳感監(jiān)測的同時起到保護(hù)人體免受傷害的作用,從而在個人健康管理和術(shù)后康復(fù)運動治療等領(lǐng)域創(chuàng)造重要應(yīng)用價值。



  澳大利亞伍倫貢大學(xué)和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究者,通過將低毒性液態(tài)金屬相變材料、抗沖擊剪切變硬彈性體和電熱鋁箔相集成,開發(fā)了一種多功能摩擦納米發(fā)電機(jī)(LM-TENG)。首先,其在15 Hz和40 N的頻率和載荷下,LM-TENG最大輸出功率為55.16 μW(外接9 M?電阻),表現(xiàn)出良好的能量捕獲能力。其次,基于優(yōu)良的Joule熱效應(yīng),LM-TENG在施加1.5 V電壓后,其表面溫度可高達(dá)69.02 ℃。這能為穿戴者提供必要的熱防護(hù)。此外,LM-TENG能夠?qū)_擊載荷從2.86 kN耗散至0.72 kN,表現(xiàn)出優(yōu)良的抗沖擊防護(hù)性能。更重要的是,通過Joule熱效應(yīng)可實現(xiàn)液態(tài)金屬的“液-固”轉(zhuǎn)換,從而大幅度調(diào)節(jié)器件的等效剛度,最終證明LM-TENG能夠有效抵御包括鈍物沖擊、刀割和針刺等諸多傷害。最后,開發(fā)了集焦耳熱效應(yīng),可控剛度,自供電傳感和抗沖擊等性能于一體的智能醫(yī)用石膏,研究了其力-熱-電耦合性能,為該智能可穿戴電子設(shè)備服務(wù)于生物醫(yī)學(xué)和康復(fù)診斷提供了一種新的可能。相關(guān)研究近日以“Liquid metal based triboelectric nanogenerator with excellent electrothermal and safeguarding performance towards intelligent” 為題發(fā)表于《Nano energy》,論文第一作者為澳大利亞伍倫貢大學(xué)博士研究生龔立平,通訊作者為澳洲伍倫貢大學(xué)的李衛(wèi)華教授和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的王勝副教授。


【復(fù)合材料的制備與表征】


  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)測試表明,剪切變硬彈性體在剪切應(yīng)變從1%到100%的過程中,儲能模量在經(jīng)過了臨界點后急劇下降,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,其儲能模量與損耗模量分別呈現(xiàn)出不同的變化趨勢且改變了幾個量級,表現(xiàn)出了良好的剪切變硬特性。 


圖1. LM-TENG的制備工藝與流變學(xué)表征


【基于TENG特性的能量收集功能】


  通過兩種不同摩擦極性的材料在接觸-分離的過程中的電子得失,實現(xiàn)摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)的作用。在動態(tài)機(jī)械分析儀(DMA)上測試了能量收集能力,通過改變負(fù)載電阻獲得輸出電壓信號和電流信號。當(dāng)負(fù)載電阻的阻值 104 Ω時,LM-TENG 產(chǎn)生的電壓低至 0.05 V,而當(dāng)電阻大于 106 Ω 時兩端電壓逐漸上升,最終在 109 Ω 時達(dá)到 40.81 V。作為電源,LM-TENG可以通過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。 


圖2. LM-TENG的摩擦電性能


【基于焦耳熱效應(yīng)的電熱性能】


  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,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。 施加的電壓分別為 2 V 和 3 V 的20次開-關(guān)-開后,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 30 分鐘后也能保持穩(wěn)定,證實了長時間加熱的可靠性和耐久性。紅外熱成像相機(jī)顯示, 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)用價值。 


圖3. LM-TENG 的電熱性能


【準(zhǔn)靜態(tài)與動態(tài)沖擊條件下的防護(hù)功能】


  準(zhǔn)靜態(tài)擠壓測試與動態(tài)刀頭沖擊試驗分別在萬能拉壓試驗機(jī)(MTS)和落錘實驗平臺上進(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,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500 mm處釋放時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)。這是因為內(nèi)部具有一定機(jī)械強度的液態(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個數(shù)量級。簡言之, 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。 


圖4. 抵抗形貌破壞的防護(hù)性能 


圖5. 鈍性沖擊下的防護(hù)性能

【面向智能醫(yī)用石膏的應(yīng)用開發(fā)】


  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,但也會使病人感到痛苦與不便。同時,病變部位有時會產(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運動逐步康復(fù),而石膏的拆除和安裝相對復(fù)雜,醫(yī)生也很難評估患者的運動狀況和病變恢復(fù)情況;谀壳暗难芯楷F(xiàn)狀所設(shè)計出的具有焦耳加熱、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。 


圖6. 基于LM-TENG的智能醫(yī)療康復(fù)石膏


  本工作通過將剪切變硬彈性體與液態(tài)金屬和鋁箔進(jìn)行封裝,開發(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)展的道路上帶來富有創(chuàng)造性改變的潛力。


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

  下載:Liquid metal based triboelectric nanogenerator with excellent electrothermal and safeguarding performance towards intelligent

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