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北卡州立大學印榮教授團隊 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電機 (TENG) 的結合成功地實現了自供電可穿戴電子設備和傳感器。然而，由于制造工藝復雜、生產速度慢、成本高、機電性能差以及設計能力有限，制造基于紡織品的 TENGs 仍然是一個巨大的挑戰。


  近期，北卡州立大學Wilson紡織學院印榮教授團隊提出了一種簡單，低成本和可量產的刺繡技術開發基于紡織品的 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材料。它是一根細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，漆包銅線經過等離子體處理后的摩擦電性能比未經等離子體處理的更好，例如最大瞬時功率密度可以達到 245 μW/m，約為 1.5 倍未經處理的紗線 （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生 300 V 的開路電壓和 8 μA 的短路電流（圖4）。可穿戴摩擦電刺繡可應用于穿戴的不同身體部位（圖5）。基于摩擦電刺繡設計的自供電、全織物數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備的基于紡織品的 TENG 開辟了一種新的通用設計范式。 


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 基于摩擦電刺繡設計的自供電、全織物數字鍵盤


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


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

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（責任編輯：xu）
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