東華大學(xué)研究團隊研發(fā)出“可發(fā)電”的服裝材料
- 可穿戴電子產(chǎn)品、能源產(chǎn)品是最近幾年科技界探索的重點，袖子上的手機、宇航服上的自助生命系統(tǒng)……人們在科幻片上看到的，正走向真實的生活。近日，東華大學(xué)材料學(xué)院王志宏教授課題組在這一領(lǐng)域又取得突破，團隊研發(fā)出了一種“可發(fā)電”的服裝材料，使真正的“能源衣”成為現(xiàn)實。
隨著可穿戴電子設(shè)備的快速發(fā)展，人們對可穿戴能源的需求逐漸增大。由于傳統(tǒng)電池存在缺乏柔韌性、不可拉伸、難以編織等局限性，柔性隨身能源材料與器件發(fā)展獲得了大量關(guān)注。但是，目前可穿戴電源的研究多數(shù)展示了“佩戴”形式的能源器件，其主要作為服裝的附加品，仍缺乏穿著舒適性。相比之下，服裝本體如果成為現(xiàn)成的物理載體，是更為理想的可穿戴功能集成平臺。
鑒于此，研究團隊認(rèn)為纖維、紗線、織物等服裝材料將成為新一代發(fā)電載體。然而，成熟的發(fā)電技術(shù)，如光伏、熱電、壓電/摩擦電等，與服裝材料和紡織工業(yè)的結(jié)合尚存在挑戰(zhàn)。目前能源紡織品難以規(guī)模化生產(chǎn)，能源器件的性能易受環(huán)境濕度影響，而且尚缺乏利用單根紗線實現(xiàn)發(fā)電的技術(shù)。因此，“能源衣”的開發(fā)一直困難重重。
在實驗中，研究人員利用工業(yè)級的紡絲設(shè)備，實現(xiàn)了可拉伸摩擦發(fā)電紗線的連續(xù)化與規(guī)模化生產(chǎn)。此類發(fā)電紗線由高彈性聚合物材料(橡膠)與螺旋金屬纖維構(gòu)成，這兩類本征彈性體與非本征彈性體，通過皮芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計合二為一，具有協(xié)同應(yīng)變行為。發(fā)電紗線在拉伸、彎曲、扭曲等應(yīng)變下，內(nèi)部兩類材料間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，可產(chǎn)生毫瓦級的輸出功率。
研究人員深入探討了金屬與非晶聚合物接觸/分離的單電極勢阱模型，發(fā)現(xiàn)非晶聚合物不僅作為隔離層防止紗線內(nèi)場電勢被外界環(huán)境氣氛(氣體、水等)消除，其界面的感應(yīng)電荷竟能夠與外界氣氛分子發(fā)生耦合增益，由此首次提出了摩擦發(fā)電器件的電勢/極化耦合效應(yīng)的假設(shè)。借助特殊的皮芯結(jié)構(gòu)設(shè)計與耦合增益發(fā)電機制，研究團隊研發(fā)的發(fā)電紗線無需借助與其他物體的相互作用即可自發(fā)電，并能夠應(yīng)用于不同氣氛環(huán)境甚至是液體中。
在此基礎(chǔ)上，研究人員使用工業(yè)級的織樣機將發(fā)電紗線進行編織，得到了具有彈性的發(fā)電織物，其同樣具有兩棲工作的能力。研究還同時發(fā)現(xiàn)，發(fā)電紗線亦可與其他市售纖維如尼龍纖維、聚丙烯腈纖維等共同編織，紡織品的透汽性、舒適性、發(fā)電功率便可有效調(diào)控。現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)可以穿著發(fā)電織物制成的“能源衣”，展示其為電子設(shè)備鋰電池充電、驅(qū)動無線信號傳輸系統(tǒng)、捕捉人體運動姿態(tài)等功能。
