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天工大楊光/閆靜/莊旭品 AFM：環(huán)境溫度響應(yīng)、智能“開-關(guān)”切換的摩擦納米發(fā)電機(jī)
2023-02-17  來源：高分子科技

  摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENGs）可將周圍的各種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能和信號，被廣泛應(yīng)用于可持續(xù)能源收集和自供電傳感器。與傳統(tǒng)電源相比，TENGs在重量、體積、人身安全、材料多樣性和環(huán)境友好性方面都表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，在電子皮膚、傳感系統(tǒng)、軟機(jī)器人和人機(jī)界面等多個領(lǐng)域都具有巨大的潛力。目前，引入智能聚合物材料開發(fā)多功能TENGs的一條簡單有效的策略，對下一代自供電電子器件具有重要意義。然而，完全智能化的TENGs鮮有報道，特別是可逆自發(fā)響應(yīng)外界刺激的相關(guān)研究。



  近日，天津工業(yè)大學(xué)楊光教授、閆靜副教授、莊旭品教授設(shè)計了一種由雙向形狀記憶聚氨酯（PU）驅(qū)動的可移動摩擦電層，進(jìn)而開發(fā)出具有熱觸發(fā)可“開-關(guān)”功能和高摩擦電輸出的智能TENG。該TENG器件可以根據(jù)環(huán)境溫度變化自發(fā)打開/關(guān)閉工作模式，即在0 °C時打開，在60 °C時完全關(guān)閉。在工作狀態(tài)，TENG最大輸出功率密度達(dá)到了5.15 W m?2。智能“開-關(guān)”和高輸出功率使得智能TENG可作為傳感元件和熱驅(qū)動開關(guān)在可穿戴電子系統(tǒng)中的應(yīng)用，該系統(tǒng)不僅可以監(jiān)測寒冷環(huán)境中的人身體狀況，還可以根據(jù)TENG的熱響應(yīng)特性實現(xiàn)按需加熱，為開發(fā)下一代智能可穿戴電子產(chǎn)品開辟了新的選擇。 


【熱觸發(fā)可切換TENG的制備】


  論文基于雙向形狀記憶聚合物PU、微米級尼龍纖維織物和聚酰亞胺（PI）納米纖維薄膜制備了垂直接觸分離模式的智能TENG。選擇PI納米纖維和尼龍織物作為TENG摩擦電層，是為了提高TENG的穿戴舒適性和摩擦電效應(yīng)。同時，雙向形狀記憶PU與下摩擦層相連，利用其可逆應(yīng)變成功實現(xiàn)摩擦層的可移動性。在PU的雙向可逆應(yīng)變下，下摩擦電層可以被驅(qū)動實現(xiàn)上下摩擦層的對齊與錯位，從而按需開啟/關(guān)閉TENG。這種“開關(guān)”的可切換過程是可多次重復(fù)的，以響應(yīng)環(huán)境溫度的變化，無需人工干預(yù)。 


圖1 智能可“開-關(guān)”切換的TENG結(jié)構(gòu)和工作原理


【PU的熱響應(yīng)雙向形狀記憶行為】


  為了設(shè)計PU的雙向形狀記憶效應(yīng)，論文在PU分子網(wǎng)絡(luò)中引入了結(jié)晶相、共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和多重氫鍵網(wǎng)絡(luò)，其中結(jié)晶相為活動相，共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和多重氫鍵網(wǎng)絡(luò)分別提供向永久形狀和臨時形狀的驅(qū)動力。因此，在外部溫度刺激下，結(jié)晶相的熔融與重結(jié)晶，PU樣品展現(xiàn)出無應(yīng)力雙向形狀記憶效應(yīng)。PU最佳轉(zhuǎn)變溫度為0和60 °C，可逆性變在多次加熱-冷卻循環(huán)中相當(dāng)穩(wěn)定，最大可逆形變達(dá)到了24.2%。 


圖2 PU網(wǎng)絡(luò)的編程程序和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變化

【TENG的智能“開-關(guān)”切換行為】


  基于微/納米纖維摩擦電表面的獨特優(yōu)勢，所制備的TENG表現(xiàn)出優(yōu)異的電輸出性能開路電壓（Voc）為185 V、短路電流（Isc）為36μA和峰值功率密度為5.15 W m?2。當(dāng)使用可逆應(yīng)變高達(dá)24.2%的雙向形狀記憶PU來設(shè)計一個可移動的摩擦電層時，成功實現(xiàn)了熱觸發(fā)可“開-關(guān)”功能的智能TENG，即當(dāng)?shù)撞磕猃埧椢锱c上PI膜垂直對齊時，30 kPa壓力可引起兩摩擦層帶電，產(chǎn)生開路電壓（Voc）為185 V、短路電流（Isc）為36μA和峰值功率密度為5.15 W m?2（“開”狀態(tài)）。一旦處于工作模式的TENG受到加熱， PU結(jié)晶相熔化并開始收縮，逐漸將底部摩擦層拉出初始位置，最后兩個摩擦層的完全錯定位，從而導(dǎo)致產(chǎn)生的電能輸出可以忽略不計（即“開→關(guān)”）。相反，在“關(guān)”狀態(tài)下的器件暴露在寒冷環(huán)境中，隨著溫度的降低，PU的長度逐漸延長，從而將可移動的摩擦電層推到與上層垂直對齊的位置。此時，TENG逐漸恢復(fù)到“開”工作模式，在按壓動作下再次出現(xiàn)電能輸出（即“關(guān)→開”）。TENG器件可以在多個溫度變化循環(huán)中穩(wěn)定產(chǎn)生和消失電信號，沒有明顯的性能下降，驗證了智能“開-關(guān)”TENG器件的可行性。 


 圖3 TENG的“開-關(guān)”可切換行為及電學(xué)性能變化


【智能“開-關(guān)”TENG在可穿戴電子中的應(yīng)用】


  基于TENG熱觸發(fā) “開-關(guān)”功能和優(yōu)異的電輸出性能，論文設(shè)計了一種基于智能TENG的智能可穿戴系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個由python程序編寫的信號處理模塊，用于傳感模塊和加熱模塊之間的通信。按照設(shè)計，可切換智能TENG被附在鞋墊上，不僅用作傳感元件，而且還用作智能熱驅(qū)動開關(guān)。作為傳感元件，TENG在“休眠”狀態(tài)和工作模式的切換可以引發(fā)電信號消失與出現(xiàn)，可以使人們清楚地掌握人體運動狀況。更重要的是，智能TENG可作為加熱裝置的驅(qū)動開關(guān)，在舒適環(huán)境中，TENG無信號發(fā)出，加熱裝置處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)人體處于冷環(huán)境中，TENG發(fā)出警報信號，加熱裝置打開進(jìn)而補(bǔ)償了人體核心區(qū)的熱量損失，有效地避免了在寒冷環(huán)境下人體的體溫過低；當(dāng)人體在發(fā)熱和損失重新平衡時，熱刺激觸發(fā)TENG關(guān)閉，進(jìn)而加熱裝置關(guān)閉，以避免過熱事件發(fā)生。 


圖4 “開-關(guān)”可切換TENG在智能可穿戴電子系統(tǒng)中的應(yīng)用


  以上工作近期以題為“Thermal-Triggered “On–Off” Switchable Triboelectric Nanogenerator Based on Two-Way Shape Memory Polymer”的論文發(fā)表在《Advanced Functional Materials》，天津工業(yè)大學(xué)楊光教授為第一兼通訊作者，碩士研究生李海瓊為第二作者，閆靜副教授、莊旭品教授為共同通訊作者。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202214001

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（責(zé)任編輯：xu）
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