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寧波大學(xué)羅來(lái)慧教授 AFM ：用于機(jī)械能收集和應(yīng)力可視化傳感的應(yīng)力發(fā)光-壓電能量收集器
2024-11-14  來(lái)源：高分子科技

  開發(fā)具有優(yōu)異電學(xué)輸出的壓電能量收集器(FPEH)，在能源供應(yīng)、壓電傳感、健康監(jiān)測(cè)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)的將無(wú)機(jī)壓電相作為填料分散到聚合物基體中來(lái)構(gòu)建FPEH的方法通常會(huì)導(dǎo)致無(wú)機(jī)壓電相團(tuán)聚，從而限制FPEH的性能。另一方面，當(dāng)FPEH作為有源自供電傳感器使用時(shí)，由于壓電材料的固有特性，很難檢測(cè)到力變化率較慢的外部刺激，這導(dǎo)致了其在應(yīng)力傳感方面的局限性。因此，制備出既具有優(yōu)異的壓電性能，又能通過壓電模式檢測(cè)應(yīng)力分布的FPEH仍然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。


  針對(duì)這一問題，寧波大學(xué)羅來(lái)慧教授團(tuán)隊(duì)引入應(yīng)力發(fā)光粒子ZnS:Cu制備得到應(yīng)力發(fā)光(ML)層，選擇BaTiO3和PVDF沉積在玻璃纖維上得到壓電層，通過壓電復(fù)合膜與ML層結(jié)合，制備出具有高性能的ML- FPEH，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了自供電的光-電雙模應(yīng)力傳感，彌補(bǔ)了壓電傳感器只能檢測(cè)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的固有缺點(diǎn)。這項(xiàng)工作以“Flexible Piezoelectric Energy Harvesters with Mechanoluminescence for Mechanical Energy Harvesting and Stress Visualization Sensing”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。


圖1 ML-FPEH的制備流程


  在電學(xué)性能方面，在4 N的作用力下，隨著頻率從0.5 Hz增加到5 Hz，輸出電壓從25 V增加到58 V（圖2 a, b）。考慮到潛在的應(yīng)用，在頻率為1 Hz的周期性壓力下測(cè)試了ML-FPEH器件的機(jī)械耐久性和穩(wěn)定性。器件的輸出性能在超過1000次循環(huán)后幾乎沒有變化，這表明器件具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械耐久性（圖2 c）。同時(shí)測(cè)試了不含BT的基于FPEH的PVDF-玻璃纖維布復(fù)合膜的輸出電壓，器件的輸出電壓幾乎為零，這表明ML-FPEH的電輸出主要來(lái)自BT膜的壓電效應(yīng)（圖2d）。


圖2 ML-FPEH的電學(xué)性能


  使用1-500 MΩ的外部負(fù)載電阻來(lái)評(píng)估FPEH的輸出功率。當(dāng)外部負(fù)載電阻為5 MΩ時(shí)，最大輸出功率為43.56 μW cm-2 。為了測(cè)試器件的充電能力，ML-FPEH連接到橋式整流電路，計(jì)算得到平均充電速率為24.2 nC/循環(huán)（圖3d），這證實(shí)了ML-FPEH的高效充電能力。手指輕觸ML-FPEH所產(chǎn)生的電能成功用于驅(qū)動(dòng)連接到0.33 μF電容器的商用黃色LED（圖3e）。通過用手掌拍打ML-FPEH，無(wú)需任何外部存儲(chǔ)系統(tǒng)即可輕松地同時(shí)點(diǎn)亮27個(gè)商用綠色LED（圖3h），以上應(yīng)用可以有力地證明ML-FPEH出色的能量收集能力。同時(shí)，對(duì)ML-FPEH的響應(yīng)速度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。當(dāng)手指按下時(shí)，響應(yīng)時(shí)間僅為20 ms（圖3f）？梢钥闯觯ML-FPEH響應(yīng)快速，具有作為自供電傳感器的潛在應(yīng)用。


圖3 ML-FPEH的能量收集應(yīng)用


  由于ML-FPEH優(yōu)異的柔性和可適用性，將其固定在人體的不同部位，器件可以從人體運(yùn)動(dòng)中有效收集機(jī)械能并將其轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電輸出，實(shí)現(xiàn)自供電傳感，用于監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)（圖4）。


圖4 ML-FPEH用于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)


  隨著外力的增大，ML-FPEH的發(fā)光強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)，具有良好的線性相關(guān)性（圖5 a-c）。此外，該裝置還可用于通過可視化檢測(cè)應(yīng)力分布。使用筆尖在ML-FPEH表面施加動(dòng)態(tài)壓力，可以清晰的看到發(fā)光圖像，通過有限元仿真和灰度處理提取ML圖像，可以很容易分析相應(yīng)的壓力分布（圖5 d-f）。該器件的力致發(fā)光特性在應(yīng)力可視化、應(yīng)力傳感和防偽裝置方面具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖5 ML-FPEH的光學(xué)傳感性能


  圖6 a-d顯示了ML-FPNG作為應(yīng)力傳感器通過光-電雙模態(tài)的應(yīng)用。當(dāng)使用筆在ML-FPEH上書寫不同的字母時(shí)，會(huì)有不同的電壓信號(hào)和視覺圖像。施加動(dòng)態(tài)的力可以很明顯看到輸出電壓，但是當(dāng)施加均勻的力時(shí)，沒有檢測(cè)到明顯的電壓。在整個(gè)過程中，肉眼可以清楚地看到綠色ML的強(qiáng)度。單一的電信號(hào)不能有效地監(jiān)測(cè)準(zhǔn)靜態(tài)力的變化，而光-電雙模態(tài)傳感器既能提供光信號(hào)，又能提供電信號(hào)，可以同時(shí)對(duì)動(dòng)態(tài)力和準(zhǔn)靜態(tài)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因此，這種自供電的光-電雙模態(tài)傳感器在多模傳感和可穿戴電子皮膚等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖6 ML-FPEH的光-電雙模態(tài)傳感


  綜上所述，通過在BT-GFEC/PVDF壓電復(fù)合膜上封裝由PDMS包裹ZnS：Cu顆粒的ML層，制備了具有力致發(fā)光和壓電性能的ML-FPEH器件。ML-FPEH展現(xiàn)了優(yōu)異的輸出性能(~58 V, ~43.56 μW cm-2)。ML-FPEH還可以有效地從人類活動(dòng)中獲取機(jī)械能，并且在1000次循環(huán)中仍然顯示穩(wěn)定的輸出，確保其可靠性和耐用性。此外，所獲得的ML-FPEH在應(yīng)力作用下具有優(yōu)異的傳感性能，并能輸出光信號(hào)實(shí)現(xiàn)力的可視化，彌補(bǔ)了壓電能量收集器件用于應(yīng)力傳感的不足。因此，這項(xiàng)工作為未來(lái)在壓電-應(yīng)力發(fā)光自供電雙模態(tài)傳感領(lǐng)域提供了新的可能性。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202412507

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（責(zé)任編輯：xu）
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