空军军医大学白永康/桂林理工李裕琪 CEJ：在多响应形状记忆驱动和自供电传感集成化材料方面取得新进展

2023-11-06 来源：高分子科技

受自然界启发，能够响应环境刺激的智能软材料因其在软机器人、生物医学设备、人机交互、可穿戴电子和航空航天等各个领域的巨大应用潜力而受到广泛关注。然而，目前大多数研究主要集中在单一的传感或驱动功能上，难以满足实际应用对材料多功能性的需求。材料的集成化和多功能化是解决这一问题的有效途径，已成为功能材料发展的重要方向。

近期，空军军医大学白永康副教授和桂林理工大学李裕琪教授合作，采用模板法制备了一种集多响应形状记忆驱动和自供电传感功能于一体的多孔复合材料。作为驱动器应用，该多孔材料具有优异的热、光及水响应形状记忆性能。作为传感器应用，通过构筑多孔材料基摩擦纳米发电机（PTENG），使其既可以用作检测人体运动的压力传感器，又可用作湿度传感器。此外，PTENG的输出性能可以利用多孔复合材料的形状记忆性能进行调整，而PTENG的自供电传感功能可以对驱动器的形状驱动过程进行自我监测。相关工作以“Multi-responsive shape memory porous composites for self-powered sensors and self-sensing actuators”为题在《Chemical Engineering Journal》期刊发表。该工作得了到国家自然科学基金和广西省自然科学基金等项目的资助。

图1 PVA/MWCNT多孔复合材料的制备示意图

该工作通过将PVA与甲基丙烯酸异氰酸乙酯（IEM）和聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）交联制备了一系列多孔材料，研究了PVA多孔复合材料材料作为软驱动器的多响应形状记忆性能，揭示了其作为软驱动器的应用前景。基于形状记忆聚合物的热熵弹性恢复，PVA多孔复合材料可以表现出优异的热和近红外光致形状记忆性能，其形状固定率和形状回复率均可达94%以上。基于此，研究进一步展示了该多孔复合材料作为光响应致动器的潜在应用。

图2 PTENG的应用

为了实现多孔材料在自供电传感器中的应用，利用多孔材料和静电纺丝聚偏氟乙烯纳米纤维构筑了接触分离式摩擦纳米发电机（PTENG），探究了不同交联剂含量和不同填料含量以及不同拍打频率下对输出的影响。结果表明所构筑的PTENG的最大输出功率密度可达4.57 W m^-2，并进一步探索了该PTENG在压力传感器以及湿度传感器中的潜在应用。

图3形状记忆调控TENG输出及示意图

进一步考察了多孔复合材料形状记忆性能和自供电传感功能的相互作用。基于PTENG的工作原理，其输出性能与多孔材料界面和内部孔隙的有效接触面积密切相关，这为利用形状记忆性能调控其PTENG输出性能提供了可能。通过对PVA多孔材料不同方向及程度的压缩，可以任意调控PTENG的输出性能。然后通过两个形状记忆驱动器验证了形状记忆多孔复合材料的自供电传感功能。首先，基于PTENG结构以压缩的多孔材料设计了一种形状记忆驱动器。在没有近红外光刺激的情况下，驱动器没有表现出形状变化，因此两个接触面没有改变，也没有产生输出电压。而当施加近红外光时，随着多孔结构的恢复，压缩样品逐渐恢复到原来的形状，从而产生电压信号并同步增加。电压随着高度或形状回复率的增加而相应增加，表明形状记忆驱动器具有自感应功能。同时设计了基于弯曲样品的自感应驱动器，证实了形状记忆执行器的自感应功能。与其他基于电阻变化的驱动器传感相比，这种自供电传感功能将大大扩展材料的应用前景。

图4 两种自感应形状记忆驱动器

图5 光控开关及自感应功能

综上所述，该研究报道了一种多功能PVA/MWCNT多孔复合材料，具有多响应形状记忆驱动和自供电传感功能。基于MWCNT的光热转换效应以及亲水PVA材料，多孔复合材料表现出优异的热、近红外光和水响应形状记忆性能。利用多孔材料和PVDF纳米纤维膜构筑了一系列PTENG，可用于自供电压力传感器以检测人体运动的监控，还可作为湿度传感器对湿度进行监测。此外，改材料凭借形状记忆效应可以很容易地调节PTENG的输出性能，而形状记忆驱动器的自感知功能则可以通过PTENG的自供电感应功能来实现。本工作提出了一种新的“材料-功能”方法，用于制造具有多响应驱动和自供电传感特性的多功能材料，在软体机器人、人机交互、自供电设备等领域显示出广阔的应用前景。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472305790X?dgcid=author

下载：Multi-responsive shape memory porous composites for self-powered sensors and self-sensing actuators

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（责任编辑：xu）

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