單向碳纖維強(qiáng)化的柔性壓電納米復(fù)合材料的原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，由日本東北大學(xué)（Tohoku University）和大阪工業(yè)大學(xué)（Osaka Institute of Technology）組建的一支聯(lián)合研究小組，通過(guò)將壓電復(fù)合材料與單向碳纖維（UDCF，單向碳纖維是一種僅在纖維方向上提供強(qiáng)度的各向異性材料）相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種新型高強(qiáng)度柔性器件。這種新器件可將人體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，為高強(qiáng)度自供電傳感器提供一種高效且可靠的方案。

運(yùn)動(dòng)能量收集涉及將人類運(yùn)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)，這對(duì)于確?？沙掷m(xù)的未來(lái)至關(guān)重要。

該研究共同作者、東北大學(xué)環(huán)境研究生院教授Fumio Narita表示：“從防護(hù)裝備到運(yùn)動(dòng)器材，我們身邊的日常用品都可以作為物聯(lián)網(wǎng)的一部分接入互聯(lián)網(wǎng)，其中，很多都配備了收集數(shù)據(jù)的傳感器。將這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備有效整合到個(gè)人裝備中，需要在電源管理和材料設(shè)計(jì)方面提供創(chuàng)新解決方案，以確保耐久性和靈活性?！?/p>

壓電材料在受到物理應(yīng)力時(shí)能夠產(chǎn)生電能，因此可以利用機(jī)械能來(lái)為可穿戴設(shè)備供電。同時(shí)，碳纖維由于其耐用性和輕便性，可應(yīng)用于航空航天和汽車工業(yè)、運(yùn)動(dòng)器材和醫(yī)療器械。

Fumio Narita教授說(shuō)：“我們想探索利用碳纖維和壓電復(fù)合材料制成的柔性個(gè)人防護(hù)裝備，是否能在確保舒適性、耐久性的同時(shí)，提供傳感能力。”

研究團(tuán)隊(duì)利用單向碳纖維（UDCF）和鈮酸鉀鈉（KNN）納米顆粒與環(huán)氧樹(shù)脂（EP）混合，制造了該器件，被稱為UDCF/KNN-EP。UDCF既充當(dāng)電極，又作為一種定向強(qiáng)化物。

內(nèi)串聯(lián)雙壓電晶片型結(jié)構(gòu)示意圖

KNN–EP層材料表征

所制得的UDCF/KNN-EP器件不負(fù)眾望。測(cè)試表明，即使拉伸1000多次，它也能保持高性能。

事實(shí)證明，與其它柔性材料相比，當(dāng)沿著纖維方向拉動(dòng)時(shí)，UDCF/KNN-EP可以承受更高的負(fù)載。此外，當(dāng)受到垂直于纖維方向的沖擊和拉伸時(shí)，它在能量輸出密度方面也超過(guò)了其它壓電聚合物。

大阪理工學(xué)院Uetsuji教授團(tuán)隊(duì)，利用多尺度模擬分析了UDCF/KNN-EP器件的機(jī)械和壓電響應(yīng)。

UDCF/KNN-EP在壓力模式下的結(jié)構(gòu)組成和受力圖；沖擊試驗(yàn)示意圖，其中h為跌落高度。

a）UDCF/KNN-EP傳感器應(yīng)用場(chǎng)景；b）當(dāng)棒球被接住時(shí)，UDCF/KNN-EP傳感器產(chǎn)生的電壓信號(hào)；c）原始信號(hào)的幅度頻譜圖（棒球接球動(dòng)作）。

UDCF/KNN-EP設(shè)計(jì)有助于推動(dòng)柔性自供電物聯(lián)網(wǎng)傳感器的發(fā)展，進(jìn)而構(gòu)建先進(jìn)的多功能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

Fumio Narita教授及其同事對(duì)這一突破性技術(shù)進(jìn)步感到興奮。

他說(shuō)：“將UDCF/KNN-EP器件集成到運(yùn)動(dòng)裝備中，可以準(zhǔn)確地檢測(cè)到接球響應(yīng)和運(yùn)動(dòng)員的步頻。在研究中，我們利用UDCF的高強(qiáng)度來(lái)提高無(wú)電池傳感器的可持續(xù)性和可靠性，同時(shí)保持其定向拉伸性，為運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的未來(lái)研究提供了寶貴的洞察和指引。”

審核編輯：劉清