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天工大楊光/閆靜/莊旭品 AFM:環(huán)境溫度響應、智能“開-關(guān)”切換的摩擦納米發(fā)電機
2023-02-17  來源:高分子科技

  摩擦納米發(fā)電機(TENGs)可將周圍的各種機械能轉(zhuǎn)化為電能和信號,被廣泛應用于可持續(xù)能源收集和自供電傳感器。與傳統(tǒng)電源相比,TENGs在重量、體積、人身安全、材料多樣性和環(huán)境友好性方面都表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢,在電子皮膚、傳感系統(tǒng)、軟機器人和人機界面等多個領(lǐng)域都具有巨大的潛力。目前,引入智能聚合物材料開發(fā)多功能TENGs的一條簡單有效的策略,對下一代自供電電子器件具有重要意義。然而,完全智能化的TENGs鮮有報道,特別是可逆自發(fā)響應外界刺激的相關(guān)研究。



  近日,天津工業(yè)大學楊光教授、閆靜副教授、莊旭品教授設計了一種由雙向形狀記憶聚氨酯(PU)驅(qū)動的可移動摩擦電層,進而開發(fā)出具有熱觸發(fā)可-關(guān)功能和高摩擦電輸出的智能TENG。該TENG器件可以根據(jù)環(huán)境溫度變化自發(fā)打開/關(guān)閉工作模式,即在0 °C時打開,在60 °C完全關(guān)閉。在工作狀態(tài),TENG最大輸出功率密度達到了5.15 W m?2。智能“開-關(guān)”和高輸出功率使得智能TENG作為傳感元件和熱驅(qū)動開關(guān)在可穿戴電子系統(tǒng)中的應用,該系統(tǒng)不僅可以監(jiān)測寒冷環(huán)境中的人體狀況,還可以根據(jù)TENG的熱響應特性實現(xiàn)按需加熱,為開發(fā)一代智能可穿戴電子產(chǎn)品開辟了新的選擇 


【熱觸發(fā)可切換TENG的制備】


  論文基于雙向形狀記憶聚合物PU、微米級尼龍纖維織物和聚酰亞胺(PI)納米纖維薄膜制備了垂直接觸分離模式的智能TENG。選擇PI納米纖維和尼龍織物作為TENG摩擦電層,是為了提高TENG的穿戴舒適性和摩擦電效應。同時,雙向形狀記憶PU與下摩擦層相連,利用可逆應變成功實現(xiàn)摩擦層的可移動性。PU的雙向可逆應變下,摩擦電層可以被驅(qū)動實現(xiàn)上下摩擦層的對齊與錯位,從而按需開啟/關(guān)閉TENG。這種開關(guān)的可切換過程是可多次重復的,以響應環(huán)境溫度的變化,無需人工干預。 


1 智能可“開-關(guān)”切換的TENG結(jié)構(gòu)和工作原理


PU的熱響應雙向形狀記憶行為】


  為了設計PU的雙向形狀記憶效應,論文在PU分子網(wǎng)絡中引入了結(jié)晶相、共價交聯(lián)網(wǎng)絡和多重氫鍵網(wǎng)絡,其中結(jié)晶相為活動相,共價交聯(lián)網(wǎng)絡多重氫鍵網(wǎng)絡分別提供向永久形狀和臨時形狀的驅(qū)動力。因此,在外部溫度刺激下,結(jié)晶相的熔融重結(jié)晶PU樣品展現(xiàn)出無應力雙向形狀記憶效應。PU最佳轉(zhuǎn)變溫度060 °C,可逆性變在多次加熱-冷卻循環(huán)中相當穩(wěn)定,最大可逆達到了24.2%。 


圖2 PU網(wǎng)絡的編程程序和相應的結(jié)構(gòu)變化

TENG智能-關(guān)切換行為】


  基于微/納米纖維摩擦電表面的獨特優(yōu)勢,所制備的TENG表現(xiàn)出優(yōu)異的電輸出性能開路電壓(Voc)為185 V、短路電流(Isc)為36μA和峰值功率密度為5.15 W m?2。當使用可逆應變高達24.2%的雙向形狀記憶PU來設計一個可移動的摩擦電層時,成功實現(xiàn)了熱觸發(fā)可-關(guān)功能的智能TENG,即當?shù)撞磕猃埧椢锱c上PI膜垂直對齊時,30 kPa壓力可引起兩摩擦層帶電,產(chǎn)生開路電壓(Voc)為185 V、短路電流(Isc)為36μA和峰值功率密度為5.15 W m?2狀態(tài))。一旦處于工作模式TENG受到加熱, PU結(jié)晶相熔化開始收縮,逐漸將底部摩擦層拉出初始位置,最后兩個摩擦層的完全錯定位,從而導致產(chǎn)生的電能輸出可以忽略不計(即關(guān))。相反,在關(guān)狀態(tài)下的器件暴露在寒冷環(huán)境中,隨著溫度的降低,PU的長度逐漸延長,從而將可移動的摩擦電層推到與層垂直對齊的位置。此時,TENG逐漸恢復到工作模式,按壓動作再次出現(xiàn)輸出(即關(guān))。TENG器件可以在多個溫度變化循環(huán)中穩(wěn)定產(chǎn)生和消失電信號,沒有明顯的性能下降,驗證了智能-關(guān)”TENG器件的可行性。 


 圖3 TENG的“開-關(guān)”可切換行為及電學性能變化


智能“開-關(guān)”TENG在可穿戴電子中的應用】


  基于TENG熱觸發(fā) -關(guān)功能優(yōu)異的電輸出性能,論文設計了一種基于智能TENG的智能可穿戴系統(tǒng),該系統(tǒng)包括一個由python程序編寫的信號處理模塊,用于傳感模塊和加熱模塊之間的通信。按照設計,可切換智能TENG被附在鞋墊上,不僅用作傳感元件,而且還用作智能熱驅(qū)動開關(guān)。作為傳感元件,TENG休眠狀態(tài)和工作模式的切換可以引發(fā)電信號消失與出現(xiàn),可以使人們清楚地掌握人體運動狀況。更重要的是,智能TENG作為加熱裝置的驅(qū)動開關(guān),在舒適環(huán)境中,TENG無信號發(fā)出,加熱裝置處于關(guān)閉狀態(tài);當人體處于冷環(huán)境中,TENG發(fā)出警報信號,加熱裝置打開進而補償了人體核心區(qū)的熱量損失,有效地避免了在寒冷環(huán)境下人體的體溫過低當人體在發(fā)熱和損失重新平衡時,熱刺激觸發(fā)TENG關(guān)閉,進而加熱裝置關(guān)閉,以避免過熱事件發(fā)生。 


4 “-關(guān)可切換TENG在智能可穿戴電子系統(tǒng)中的應用


  以上工作近期以題為Thermal-Triggered “On–Off” Switchable Triboelectric Nanogenerator Based on Two-Way Shape Memory Polymer的論文發(fā)表在Advanced Functional Materials》,天津工業(yè)大學楊光教授為第一兼通訊作者,碩士研究生李海瓊為第二作者,閆靜副教授、莊旭品教授為共同通訊作者。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202214001

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