可穿戴摩擦发电织物：高效、稳定、耐久
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2020-2-13 22:05
|系统分类:论文交流|
丝纤维, 仿生层级结构, 包覆纱纺织技术, 可穿戴纳米发电织物, 聚四氟乙烯纤维
Ultrastable and High-Performance Silk Energy Harvesting Textiles
Chao Ye, Shaojun Dong, Jing Ren*, Shengjie Ling*
Nano-Micro Lett.(2020)12:12
https://doi.org/10.1007/s40820-019-0348-z
本文亮点
1 仿生层级结构设计，获得机械性能和摩擦电学性能兼顾的能量收集织物。3 规模化生产的能量收集织物显示出优异的柔性、稳定性及耐用性。
上海科技大学物质科学与技术学院凌盛杰团队受天然丝层级结构启发，结合现代纺织技术，通过材料筛选、结构设计、模拟分析，改进包覆纱纺织技术，以丝纤维(silk fiber)、聚四氟乙烯纤维(PTFE fiber)和不锈钢纤维(stainless steel fiber)为原料，制备了一种可规模化生产，同时具有高机械强度、柔韧性、耐用性以及优异的加工性能的能量收集织物，并显示出良好的摩擦发电性能。以往的织物摩擦纳米发电机的设计中，所制备的织物摩擦纳米发电机在柔韧性以及耐久性方面难以满足人们日常穿着的需求。本文提出了一种先进能源纺织品的全新设计策略，采用了包覆纱技术构造了核-壳结构摩擦发电纱线，可通过平纹织布或者机械化加工织成摩擦发电织物。该织物具有优异的力学稳定性（经过200多万次的180°弯折，结构及导电纱内层导电性未发生明显改变）以及较高的能量输出效率（3.5 mW/m2）。研究背景
近年来，随着可穿戴电子设备的飞速发展，能够有效地将人体运动产生的机械能转化为持续电能的可穿戴摩擦纳米发电功能受到很多关注，该类器件可为便携微型电子器件能源供应问题提供有效解决方案。其中，可穿戴摩擦纳米发电织物的舒适、耐用、效率等综合性能仍难以满足实际需求。我们回归到织物本身，将传统纺织技术结合仿生结构设计，为高性能摩擦发电织物提供了一条系统的构建方案。I 包覆纱结构设计与力学性能优化
通过计算和实验，优化同轴包覆纱线结构，调控外层纤维的缠绕角（α）控制纱线的力学性能。图1a显示了包覆纱的几何结构与受力分析示意图。当包缠的纱线受到纵向力（FY）时，该力将分别由经纱（FW）和纱芯（FC）分解。包缠应力对纱线强度（FS）的贡献可以表示为等式FS=FW cosα，因此，随着包缠角α的增加，包缠纤维对复合纱线强力的贡献降低。本论文复合纤维中，不锈钢纤维芯主导纱线的拉伸和弯曲强度以及硬度（图1b）。另一方面，根据Backer的理论[ J. Text. Inst. 64, 711]，高包缠角的包覆纱的抗弯刚度比低捻纱低（图1c）。低的抗弯刚度有利于复合纱线的机械化加工。因此，在制备蚕丝/不锈钢纤维和PTFE纤维/不锈钢纤维两种包覆纱线时，我们选用了大的包缠角度。
图1 包覆纱结构设计与力学性能优化：(a)包覆纱的几何结构与受力分析示意图。具有不同包缠角的包覆纱，(b)拉伸应力-应变曲线，(c)弯曲应力-弯曲应变曲线。
II 包覆纱结构对纱线摩擦电性能的影响
包覆纱外层纤维的厚度，介电常数对最终摩擦发电织物有很大的影响作用。为了定量评估这些影响，两种包覆纱线被简化为如图2(a)所示的模型。如图所示，两种包覆纱纤维内部的不锈钢纤维构成两个电极，而外层的蚕丝和PTFE纤维分别为正电介质（电介质1）和负电介质（电介质2）。当电介质层通过机械力彼此接触时，由于静电感应在两种纱线的表面上产生极性相反且等量的静电荷σ。对于电介质，可以合理地假设静电荷均匀地分布在两个表面上，并且静电荷可以保留很长时间。当分离距离在机械力的作用下开始增加时，两个电极之间会产生电势差，即输出电压V。可以使用V-Q-x方程评估输出电压（V），进一步可以推导出不同参数下输出能量与距离的关系。通过带入不同厚度参数发现，当包覆纱外层的厚度越薄时，纱线的摩擦生电效率越高（图2b，c）。此外，蚕丝纤维中由于存在孔隙，蚕丝介电常数由于空气的进入会降低。通过模拟发现，蚕丝的介电常数从4.5降低到2.5时，摩擦生电效率稍微降低（图2d，e）。因此，我们在纱线的制备中包裹单层纤维来减少包裹层的厚度。
图2 模拟包覆纱的结构对摩擦发电织物电学性能的影响。(a)两种包覆纱线的简化模型。(b，c)包覆厚度下摩擦发电织物的输出电压与输出能量随分离距离的变化关系。(d，e)蚕丝在不同介电常数下摩擦发电织物的输出电压与输出能量随分离距离的变化关系。
III 核-壳结构摩擦发电纱线的制备
通过理论计算及实验发现，包覆纱中当外层纤维包裹角越大时，纱线的柔性越好；外层纤维的厚度越小时，相互摩擦产生的静电核效率越高。我们利用如图3(a)的装置来实现高包裹角、单层的包覆纱纤维的规模化制备，最终获得了如图3(b，c)所示，芯层为不锈钢纤维，外层分别为蚕丝和PTFE纤维的两种包覆纱纱线。
图3 核-壳结构摩擦发电纱线的制备。(a)实验室搭建用于生产复合纱线的装置。(b)蚕丝/不锈钢包覆纱。(c)PTFE/不锈钢包覆纱。
IV 摩擦发电织物的制备
所制备的两种包缠纱不仅力学强度高（断裂力可达25N），而且还具有优异的柔韧性，可通过织布机将其织成平纹织物。或者直接利用图（图4a）所示的商业化绣花机将其按照任意设计图案（图4b）集成在现有织物上。所制备的摩擦发电织物超过200万次弯折后外观及包覆纱的芯层导电率均无降低（图4c）。
图4 摩擦发电织物。(a)商业绣花机缝纫纱线示意图。(b)功能纱线经由绣花机制备的织物图案。(c)摩擦发电织物的弯折条件下稳定性测试。
V 摩擦发电织物的电学输出性能表征
由于蚕丝和PTFE纤维的极性相差较大，当两种织物相接触时，便会在两者表面产生摩擦静电荷（蚕丝由于失电子带正电，PTFE纤维由于得电子而带负电）。两块织物在接触-分离的过程中会产生随时间变化的电场来驱动芯层不锈钢纤维中电子的流动，从而产生电能。利用如图5(a)所示的装置对摩擦发电织物的电学输出性能进行表征。当两种织物以2 Hz的频率周期性地相互挤压时，能够产生45 V的开路电压（图5b），此外短路电流密度约为0.2 mA/m2（图5c）,转移电荷密度约为8.6 mC/m2（图5d）。对摩擦发电织物的电流和电压输出对外部负载电阻的依赖性进行了评估，当外电阻为50MΩ时，摩擦发电织物能够输出的最大功率密度为3.5 mW/m2（图5e-f），产生的输出功率足以满足某些低能耗电子设备的功耗，从而有望于解决可穿戴系统可持续供电的问题，并且其输出性能可以通过增加工作频率进一步提高（图5g）。通过循环测试验证了该摩擦发电织物具有良好的耐久性（图5h）。
图5 摩擦发电织物的电学测试。(a)用于测试的装置。摩擦发电织物。(b-d)在2 Hz的接触频率下，摩擦发电织物输出的开路电压，短路电流密度以及转移电荷。(e-f)输出功率与外负载的关系。(g)外负载100 MΩ下，电压与接触频率的关系。(h)电能输出稳定性测试。VI 摩擦发电织物的应用
摩擦发电纱线的可规模化生产特性使得制备大尺寸织物成为可能。摩擦发电织物可应用于多种应用场景。我们设计了可穿戴发电织物以及自发电地板砖（图6a-b）。经过桥式整流器与电容器相连还可以进行能量收集后持续给电子产品供电（图6c-e）。进一步地，通过多层织物复合的方式可以实现输出功率的进一步提升，从而拓展该织物的应用前景（图6f-g）。
图6 摩擦发电织物的应用。摩擦发电织物：(a)应用示意图。(b)20cm×20cm织物在一次接触分离中点亮串联的两组相反连接的LED灯。(c-e)通过桥式整流器后与电容器并联用来给电容器充电，继而给电子产品持续供电。(f-g)5cm×5cm织物经过多层复合可轻松点亮数十枚LED灯。
任婧
本文通讯作者
上海科技大学 助理研究员
碳纳米复合材料，特别是碳纳米管、石墨烯与天然蛋白材料在可穿戴器件、仿生、医疗领域的应用。主要包括可穿戴锂离子电池、超级电容器、智慧织物、心脏组织功能修复。▍主要研究成果
在Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Matter, Chem. Soc. Rev.等高影响力学术期刊以第一作者或通讯作者发表论文 10 余篇。获得授权中国发明专利3项，博士后面上一等资助，入选上海市扬帆计划。作为第三完成人参与项目“碳纳米管复合纤维锂离子电池”获得2019年国家自然科学二等奖。
凌盛杰
本文通讯作者
上海科技大学 助理教授
研究组以生物大分子、天然结构材料和材料生物学为核心，致力于采用生物材料组学研究方法解析天然材料的设计策略，并开发相应的仿生功能材料。主要研究方向包含：(1)同步辐射红外及X射线技术对重组蛋白和天然材料的表征；(2)分子动力学模拟对天然材料设计策略的解析；(3)生物仿生材料，生物纳米材料和生物功能材料的开发与应用。▍主要研究成果
在 Nat. Rev. Mater., Sci. Adv., Nat. Commun., Adv. Mater., Nano Lett., ACS Nano, Matter, Prog. Poly. Sci., Adv. Funct. Mater., Chem. Soc. Rev.等高影响力学术期刊发表论文 40 余篇。2018年入选美国化学会ACS Biomater. Sci. Eng.杂志青年编委，同年被聘任为中国材料学会纤维材料改性与复合技术分会第一届常务理事会常务理事。2017 年 9 月入职上海科技大学以来，主持国家自然科学基金大科学装联合基金培育项目、中国科学院合肥大科学中心“高端用户培育基金”及上海市浦江人才计划等基金项目，并参与 国家自然科学基金重点项目一项。获评上海市青年东方学者，入选上海市青年拔尖人才开发计划。▍个人主页:
http://spst.shanghaitech.edu.cn/2018/0301/c2349a17387/page.htm
撰稿：原文作者
编辑：《纳微快报》编辑部
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