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香港大學(xué)徐立之團(tuán)隊 JMCA:兼顧高機械強度及溫和修復(fù)條件的高魯棒性摩擦納米發(fā)電機
2023-08-24  來源:高分子科技

  摩擦納米發(fā)電機在運行過程中需頻繁遭受機械力沖擊及破壞,這對器件的耐久性及魯棒性提出了挑戰(zhàn)。解決方法之一是使用自修復(fù)高分子構(gòu)筑具有損傷自愈能力的納米發(fā)電機。然而,多數(shù)自修復(fù)納米發(fā)電機無法兼顧修復(fù)性能和本體強度。一般來說,基于自發(fā)型自修復(fù)高分子的器件無需額外刺激即可實現(xiàn)損傷修復(fù),但其較差的本體強度卻導(dǎo)致了器件的耐沖擊性和壽命降低。相比之下,基于觸發(fā)型自修復(fù)高分子的器件常呈現(xiàn)出更優(yōu)秀的機械性能,但其修復(fù)過程需要外界刺激的觸發(fā)。目前常用的修復(fù)刺激,如熱、紅外、紫外等在納米發(fā)電機的多數(shù)使用場景中并不方便獲得。另外,出于安全考慮,上述刺激也不適用于可穿戴納米發(fā)電機的原位修復(fù)。因此,發(fā)展兼顧高機械強度及溫和自修復(fù)條件的納米發(fā)電機,實現(xiàn)器件便捷安全的自修復(fù)具有重要的實用意義。


  香港大學(xué)機械工程系徐立之團(tuán)隊報道了一種能在溫和及易得的刺激條件下進(jìn)行損傷修復(fù)的高強度摩擦納米發(fā)電機。文章首先制備了一種包含Ca2+-鄰苯二酚配位作用的聚氨酯脲,并將其命名為THP。THP的拉伸強度為11.6 MPa,并可通過改變鈣離子含量對其進(jìn)行調(diào)節(jié)(5-19 MPa),該強度優(yōu)于大部分已報道的自修復(fù)納米發(fā)電機的構(gòu)筑材料。此外,THP 能利用生活中隨處可見的水或酒類飲料的觸發(fā)進(jìn)行損傷修復(fù),修復(fù)效率約為90%。文章進(jìn)一步基于THP構(gòu)筑了自修復(fù)摩擦納米發(fā)電機(THP-TENG),修復(fù)過后的器件輸出性能與損傷前的性能相當(dāng)。對修復(fù)后的器件進(jìn)行 8000次的循環(huán)測試后,其輸出性能仍保持穩(wěn)定。整個器件的修復(fù)過程類似于用創(chuàng)可貼處理傷口,具有溫和、安全及便捷的特點。此外,對于損壞嚴(yán)重的器件,可通過溶液法對其進(jìn)行回收再利用;赥HP-TENG,文章隨后制備了一種可同時監(jiān)測觸覺信號及肌電信號的傳感器并探索其在可穿戴電子中的應(yīng)用。


圖1.THP的機械性能及自修復(fù)性能。a)不同鈣離子添加量的THP樣品的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。b)不同修復(fù)條件下THP的修復(fù)率。c)THP與其它已報道的自修復(fù)TENG構(gòu)筑材料的修復(fù)率及拉伸強度對比。 


圖2.THP-TENG的自修復(fù)及可回收性能。a)THP-TENG的運行機理。b)THP-TENG的器件修復(fù)過程。c)THP-TENG的輸出性能修復(fù)。d)修復(fù)后的THP-TENG的運行穩(wěn)定性。e)THP-TENG的循環(huán)回收過程。 


圖3.THP-TENG對觸覺及電生理信號的感知性能。a)THP-TENG基傳感器的器件結(jié)構(gòu)。b)粘貼在前臂內(nèi)側(cè)的THP-TENG基傳感器。c)手指在器件表面滑動時傳感器內(nèi)不同電極產(chǎn)生的摩擦電信號。d)三種不同手勢下貼于前臂內(nèi)側(cè)和外側(cè)的兩傳感器監(jiān)測到的肌電信號。


  這項研究以“Robust and durable triboelectric nanogenerators enabled by mechanically strong and mildly healable polymer”為題發(fā)表在 《Journal of Materials Chemistry A》上。香港大學(xué)機械工程系助理教授徐立之為論文通訊作者,博士后徐偉為論文第一作者(目前就職于之江實驗室),參與該論文的還有博士生劉紅震及何慧敏。該研究得到了香港理工大學(xué)郝建華教授及黃文聰博士的合作支持。


  原文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ta/d3ta02340k

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