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伍伦贡大学李卫华团队、中国科大王胜课题组《Nano Energy》:具有优良电-热-力耦合性能的自供电传感器及智能石膏的应用研究
2023-02-18  来源:高分子科技

  近年来,柔性软测量技术的蓬勃发展推动了柔性可穿戴电子产品的飞速普及,实现了人体运动和生理参数的有效测量,重塑了人类的生活方式。特别地,摩擦纳米发电机(TENG)是一种基于摩擦电和静电感应耦合效应的自供电传感装置。由于其制作简单、无需外界供电,其在生物医学和可穿戴健康监测等领域具有广阔的应用前景。然而基于高分子基体和导电物质的自供电传感器仍存在诸多局限性,其中限制自供电传感器进一步工程应用的主要瓶颈是脆弱的力-电性能。传统的柔性器件在动态冲击载荷下,其结构和传感性能往往会受到破坏,且冲击动能也会伤害到穿戴者本身。虽然已有部分工作开始尝试提高柔性器件的抗冲击性能和电学稳定性,但相关材料的力学强度可控范围较小,目前仍无法有效抵御尖锐物体的冲击伤害。因此选择高性能相变材料开发可变刚度的自供电多功能传感器才能够有效抵御复杂应力载荷,实现有效传感监测的同时起到保护人体免受伤害的作用,从而在个人健康管理和术后康复运动治疗等领域创造重要应用价值。



  澳大利亚伍伦贡大学和中国科学技术大学的研究者,通过将低毒性液态金属相变材料、抗冲击剪切变硬弹性体和电热铝箔相集成,开发了一种多功能摩擦纳米发电机(LM-TENG)。首先,其在15 Hz和40 N的频率和载荷下,LM-TENG最大输出功率为55.16 μW(外接9 M?电阻),表现出良好的能量捕获能力。其次,基于优良的Joule热效应,LM-TENG在施加1.5 V电压后,其表面温度可高达69.02 ℃。这能为穿戴者提供必要的热防护。此外,LM-TENG能够将冲击载荷从2.86 kN耗散至0.72 kN,表现出优良的抗冲击防护性能。更重要的是,通过Joule热效应可实现液态金属的“液-固”转换,从而大幅度调节器件的等效刚度,最终证明LM-TENG能够有效抵御包括钝物冲击、刀割和针刺等诸多伤害。最后,开发了集焦耳热效应,可控刚度,自供电传感和抗冲击等性能于一体的智能医用石膏,研究了其力-热-电耦合性能,为该智能可穿戴电子设备服务于生物医学和康复诊断提供了一种新的可能。相关研究近日以“Liquid metal based triboelectric nanogenerator with excellent electrothermal and safeguarding performance towards intelligent” 为题发表于《Nano energy》,论文第一作者为澳大利亚伍伦贡大学博士研究生龚立平,通讯作者为澳洲伍伦贡大学的李卫华教授和中国科学技术大学的王胜副教授。


【复合材料的制备与表征】


  本研究以硼酸和羟基硅油为原料制备得到剪切变硬弹性体,并将其与铟铋锡合金和铝箔进行封装得到LM-TENG。流变学测试表明,剪切变硬弹性体在剪切应变从1%到100%的过程中,储能模量在经过了临界点后急剧下降,体现出从线性粘弹性阶段到非线性粘弹性阶段的过渡。由于聚合物自身的率相关性,随着振荡剪切频率从0.1Hz增加到100 Hz,其储能模量与损耗模量分别呈现出不同的变化趋势且改变了几个量级,表现出了良好的剪切变硬特性。 


图1. LM-TENG的制备工艺与流变学表征


【基于TENG特性的能量收集功能】


  通过两种不同摩擦极性的材料在接触-分离的过程中的电子得失,实现摩擦纳米发电机(TENG)的作用。在动态机械分析仪(DMA)上测试了能量收集能力,通过改变负载电阻获得输出电压信号和电流信号。当负载电阻的阻值 104 Ω时,LM-TENG 产生的电压低至 0.05 V,而当电阻大于 106 Ω 时两端电压逐渐上升,最终在 109 Ω 时达到 40.81 V。作为电源,LM-TENG可以通过整流电路有效地为商业电容器充电。例如,0.47μF的电容器可以在15 s内达到8.26 V的电压,表现出良好的可循环充放电性能。 


图2. LM-TENG的摩擦电性能


【基于焦耳热效应的电热性能】


  探究了可穿戴 LM-TENG 电子器件在不同负载电压下的焦耳热性能。当电压从 1 V 增加到 3 V 时,LM-TENG 的最高饱和温度从 46.4 ℃ 迅速上升到 173.0 ℃。此外,还研究了电热性能的可重复性。 施加的电压分别为 2 V 和 3 V 的20次开-关-开后,LM-TENG 仍保持稳定的热性能(LM-TENG 的表面温度分别约为 50 和 75 ℃)。此外,LM-TENG 的温度在 86.8 ℃ 左右达到饱和,即使在施加恒定电压超过 30 分钟后也能保持稳定,证实了长时间加热的可靠性和耐久性。红外热成像相机显示, 1 到 3.5 V 的电压下,LM-TENG 的温度从 25℃可以持续上升到 110.7 ℃。LM-TENG 所体现的焦耳热效应,证明了其在热理疗康复领域的应用价值。 


图3. LM-TENG 的电热性能


【准静态与动态冲击条件下的防护功能】


  准静态挤压测试与动态刀头冲击试验分别在万能拉压试验机(MTS)和落锤实验平台上进行。从不同的高度释放刀具质量块,被刺穿的参考纸的数量有效地量化了背衬材料被穿透的深度,从而评估破坏的严重性LM-TENG在循环载荷下呈现出更好的可靠抗冲击性能。例如,当刀具的下落高度为100 mm时,SSE下方的参考纸被完全破坏,而在LM-TENG的保护作用下,刀具在500 mm处释放时参考纸才被完全穿透。在相同的冲击能量下,LM-TENG减少了背衬材料之间的穿透层数。这是因为内部具有一定机械强度的液态金属能够提高SSE材料的抵抗破坏能力。液态金属的有效压缩模量比纯SSE高3个数量级。简言之, LM-TENG可以承受更多的冲击载荷,表现出显著的冲击防护性能。 


图4. 抵抗形貌破坏的防护性能 


图5. 钝性冲击下的防护性能

【面向智能医用石膏的应用开发】


  新型智能材料的应用在生物医学和医疗诊断领域取得了巨大的成功。它为许多疾病的治疗和病人的康复带来了极大的便利。骨折患者在康复阶段往往需要使用石膏辅助固定,虽然石膏的固定能促进骨骼生长,但也会使病人感到痛苦与不便。同时,病变部位有时会产生疼痛,但石膏不能给予相应的治疗。不仅如此,患者后期也需要通过运动逐步康复,而石膏的拆除和安装相对复杂,医生也很难评估患者的运动状况和病变恢复情况。基于目前的研究现状所设计出的具有焦耳加热、刚度可控、自供电感应和抗冲击性能的LM-TENG作为智能石膏,在评估骨折患者佩戴舒适度以及康复程度方面显示出巨大的潜力。 


图6. 基于LM-TENG的智能医疗康复石膏


  本工作通过将剪切变硬弹性体与液态金属和铝箔进行封装,开发出一种多功能的基于液态金属的摩擦纳米发电机,具有良好的能量收集能力、显著的电热性能以及在冲击条件下优异的防护表现,并在此基础上进行设计探索,研究了作为新型智能医用石膏的可能性,体现了它为多功能传感器和智能可穿戴电子设备蓬勃发展的道路上带来富有创造性改变的潜力。


  原文链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108280

  下载:Liquid metal based triboelectric nanogenerator with excellent electrothermal and safeguarding performance towards intelligent

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