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东华大学研发出“可发电”服装材料

  可穿戴电子产品、能源产品是最近几年科技界探索的重点,袖子上的手机、宇航服上的自助生命系统……人们在科幻片上看到的,正走向真实的生活。近日,东华大学材料学院王志宏教授课题组在这一领域又取得突破,团队研发出了一种“可发电”的服装材料,使真正的“能源衣”成为现实。

  随着可穿戴电子设备的快速发展,人们对可穿戴能源的需求逐渐增大。由于传统电池存在缺乏柔韧性、不可拉伸、难以编织等局限性,柔性随身能源材料与器件发展获得了大量关注。但是,目前可穿戴电源的研究多数展示了“佩戴”形式的能源器件,其主要作为服装的附加品,仍缺乏穿着舒适性。相比之下,服装本体如果成为现成的物理载体,是更为理想的可穿戴功能集成平台。

  鉴于此,研究团队认为纤维、纱线、织物等服装材料将成为新一代发电载体。然而,成熟的发电技术,如光伏、热电、压电/摩擦电等,与服装材料和纺织工业的结合尚存在挑战。目前能源纺织品难以规模化生产,能源器件的性能易受环境湿度影响,而且尚缺乏利用单根纱线实现发电的技术。因此,“能源衣”的开发一直困难重重。

  在实验中,研究人员利用工业级的纺丝设备,实现了可拉伸摩擦发电纱线的连续化与规模化生产。此类发电纱线由高弹性聚合物材料(橡胶)与螺旋金属纤维构成,这两类本征弹性体与非本征弹性体,通过皮芯结构的设计合二为一,具有协同应变行为。发电纱线在拉伸、弯曲、扭曲等应变下,内部两类材料间发生电子转移,可产生毫瓦级的输出功率。

  研究人员深入探讨了金属与非晶聚合物接触/分离的单电极势阱模型,发现非晶聚合物不仅作为隔离层防止纱线内场电势被外界环境气氛(气体、水等)消除,其界面的感应电荷竟能够与外界气氛分子发生耦合增益,由此首次提出了摩擦发电器件的电势/极化耦合效应的假设。借助特殊的皮芯结构设计与耦合增益发电机制,研究团队研发的发电纱线无需借助与其他物体的相互作用即可自发电,并能够应用于不同气氛环境甚至是液体中。

  在此基础上,研究人员使用工业级的织样机将发电纱线进行编织,得到了具有弹性的发电织物,其同样具有两栖工作的能力。研究还同时发现,发电纱线亦可与其他市售纤维如尼龙纤维、聚丙烯腈纤维等共同编织,纺织品的透汽性、舒适性、发电功率便可有效调控。现在,研究人员已经可以穿着发电织物制成的“能源衣”,展示其为电子设备锂电池充电、驱动无线信号传输系统、捕捉人体运动姿态等功能。

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