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東華大學(xué)Advanced Materials：防水耐磨可拉伸摩擦電紗線

2021-05-26 11:19:54 作者：材料人來源：材料人分享至：

隨著可穿戴設(shè)備的快速發(fā)展，基于摩擦電技術(shù)的新型纖維電子器件在機械能收集和自驅(qū)動傳感方面展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。東華大學(xué)先進功能材料課題組近年來在該領(lǐng)域取得了一系列研究成果：利用工業(yè)級的紡絲設(shè)備實現(xiàn)可拉伸兩棲能源紗線的連續(xù)化與規(guī)模化生產(chǎn)（Nature Communications, 2019, 10, 868）；以“全纖維”為設(shè)計原則，開發(fā)了具有濕熱穩(wěn)定性和舒適性的摩擦/鐵電協(xié)同電子織物（Nature communications, 2019, 10, 5541）；耦合毛細效應(yīng)，制造了新型鐵電增強型摩擦電吸濕快干紡織品（Advanced Materials, 2021, 33, 2007352）。

近日，先進功能材料課題組在摩擦電纖維電子領(lǐng)域取得新進展，相關(guān)研究成果以《基于費馬螺旋的防水耐磨可拉伸摩擦電紗線》（“Abrasion Resistant/Waterproof Stretchable Triboelectric

Yarns Based on Fermat Spirals”， https://doi.org/10.1002/adma.202100782）為題發(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊《先進材料》（Advanced Materials）。東華大學(xué)為論文唯一完成單位，材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生張德偉和長學(xué)制博士研究生楊偉峰為共同第一作者，侯成義副研究員、張青紅研究員為共同通訊作者。

構(gòu)筑高比表面積的納米結(jié)構(gòu)是提高摩擦電紗線電學(xué)輸出和傳感信噪比的有效手段。然而，當(dāng)納米結(jié)構(gòu)與其他材料接觸摩擦?xí)r，往往會承受較高的局部應(yīng)力，造成磨損，進而導(dǎo)致摩擦電紗線的電學(xué)性能下降。此外，現(xiàn)有的摩擦電紗線與商業(yè)紗線產(chǎn)品相比，在細度、長徑比、連續(xù)化制備、可編織性等方面仍有很大差距。

在本工作中，研究人員利用靜電紡絲技術(shù)，通過控制靜電場，應(yīng)力場和速度場，在可拉伸導(dǎo)電紗線表面連續(xù)紡制了費馬螺旋結(jié)構(gòu)氟碳聚合物P（VDF-TrFE）納米纖維，構(gòu)建了動態(tài)穩(wěn)定的摩擦電紗線。這種摩擦電紗線具有超高的耐磨性，穩(wěn)定的可逆應(yīng)變和出色的電學(xué)性能，在低頻外力作用下可產(chǎn)生105 V, ~1.2 μA的電能輸出。

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（a）費馬螺旋摩擦電紗線的連續(xù)化紡織流程；（b）費馬螺旋納米纖維結(jié)構(gòu)的模型；（c）紗線電極和摩擦電紗線在不同制備階段的實物照片

特殊的費馬螺旋結(jié)構(gòu)顯著提升了納米纖維間的抱合力，使摩擦電紗線具有超高的耐磨性。在5000次馬丁代爾標準耐磨循環(huán)后，紗線幾乎沒有發(fā)生質(zhì)量損失和電學(xué)性能衰減。穩(wěn)定的表面納米結(jié)構(gòu)使摩擦電紗線適用于工業(yè)級的紡織器械，可進行大面積的編織。