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王中林院士《AFM》:可拉伸、耐洗、超薄摩擦纳米发电机,实现高灵敏、自供电触觉传感器,助力电子皮肤的发展,中国化工网,okmart.com
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王中林院士《AFM》:可拉伸、耐洗、超薄摩擦纳米发电机,实现高灵敏、自供电触觉传感器,助力电子皮肤的发展
2020年09月30日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

表皮电子器件是一类典型的可伸缩传感器,需要具有类似于皮肤的柔软性和质感等优异性能。摩擦电纳米发电机(TENG)可以通过从周围环境中收集机械能来驱动电子系统,具有自供电的传感功能、环保和低成本低优点。现有的可拉伸TENG是由相对复杂工艺或结构制备的可拉伸电极构成,或者是将纳米管、石墨烯等导电填料嵌入弹性体基底中中国化工网okmart.com。其中,导电填料的渗透网络存在以下一些缺点:(1)现有方法难以获得具有高拉伸性和优异电导率的电极;(2)需要将电极增厚以为获得高导电性,在一定程度上影响了整个装置的透明性、粘合性和舒适性。因此,下一代皮肤状TENG需要一种新型的可拉伸超薄电极。目前,可拉伸的TENG在透明度、可洗性、高灵敏度和长期耐用性方面仍然面临挑战。

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近日,中科院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士(通讯作者)团队报道了一种可伸缩、耐清洗且超薄仿造皮肤的摩擦电纳米发电机(SI-TENG),其可以收集人体运动能量,并作为一种高度敏感的自供电触觉传感器。通过优化的材料选择和结构设计,SI-TENG有高可拉伸性(≈800%)、超薄性(≈89 µm)和轻便性(≈0.23 g)等优点,其能在不影响人体皮肤接触的情况下与人体皮肤相适应。通过热塑性聚氨酯(TPU)的同步静电纺丝和银纳米线(AgNWs)的电喷涂,制造了可拉伸的复合电极,该电极由AgNWs与TPU纳米纤维网络均匀缠绕而成。在施加力为8 N和1 Hz的负载频率时,接触面积为2×2 cm2的SI-TENG的开路电压(Voc)、短路电流(Isc)和功率密度可以分别达到95 V、0.3 µA和6 mW m-2。通过集成信号处理电路,SI-TENG具有出色能量收集和自供电感应能力,可用于检测人类动作的触觉传感器阵列。因此,SI-TENG在人机界面和安全系统领域有着广泛的应用前景。

SI-TENG的制备与表征

由纳米复合膜组装的单电极模式SI-TENG的基本结构:在顶层,改性的表面PDMS薄膜用作起电层;在中间层,AgNWs被均匀地分布在整个TPU纳米纤维网络中,用作可拉伸电极;在底层,商业化VHB作为结构支撑和保护层。面积为4 cm×4 cm的SI-TENG的厚度仅为89 µm、重量仅为230 mg。SI-TENG具有出色的光学透明性,可以直接看到传感器下方的皮肤。SI-TENG与自然皮肤和曲面形成紧密、舒适和共形的附着。此外,SI-TENG在附着并多次拉出物体时表现出稳定的性能,可以进行拉伸、扭曲和弯曲等复杂的机械变形。

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图1、SI-TENG的结构设计

工作机制与输出性能

SI-TENG的工作机理与摩擦起电和静电感应相结合。当活动对象与介电层(PDMS薄膜)接触时,带电过程发生在界面,并且在两个接触之间产生相同数量、极性相反的电荷。对于SI-TENG的电气输出性能,不同厚度(25、50、100、200和300 µm)的PDMS薄膜,其Voc,Isc和Qsc的输出性能先增加,后随着PDMS薄膜厚度的增加而降低。其中,厚度为50 µm的PDMS薄膜使SI-TENG具有最佳的电气输出性能(Voc: 35 V,Qsc: 13 nC和Isc: 0.08 µA)。比较由各种粗糙表面PDMS制成SI-TENG的电气输出性能。其中,厚度为3 nm Ti掩模的SI-TENG具有最高输出性能。

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图2、SI-TENG的工作机理和输出性能

耐洗性和传感性表征

作者检测了不同清洗次数(10-40 min)下的输出电压,评估SI-TENG的耐洗性。在整个清洗实验过程中,输出电压没有明显的变化。当施加压力保持恒定时,出现均匀且可重复的方波形状的输出电压信号。当施加压力达到6 KPa时,相应的电压信号输出也会增加,在65 V达到饱和。需注意,曲线表现出两个不同的区域。在低压区域(0-1.6 KPa)中,SI-TENG表现出良好的线性响应,压力敏感度为9.973 mV Pa-1,而在高压区域(>1.6 KPa)中,压力敏感度为0.538 mV Pa-1。因此,SI-TENG在低压区域(<1.6 KPa)更灵敏。


可拉伸性表征

SI-TENG被横向拉伸至200%,具有出色的机械性能。通过应力应变仪进行精确的长度控制,测试SI-TENG和复合电极的拉伸应变能力。该电极具有高拉伸性(580%)和相对稳定的电阻(在100%应变下从5到732 Ω)。在不同拉伸状态下,接触面积为1 cm×2 cm的SI-TENG的输出性能随拉伸应变从0%到150%的增加而增加。在30%拉伸应变时,连续运行10万次后,输出电压没有明显变化,证明SI-TENG具有优异的拉伸性。


探究应用价值

自供电游戏控制器由9个具有3×3阵列的传感单元组成,包括PDMS电气化层、TPU/AgNWs电极层、VHB绝缘层、TPU/AgNWs屏蔽层和VHB/TPU基板层。将SI-TENG与信号处理电路集成在一起,开发了一种皮肤游戏控制器的传感系统。游戏控制器系统由三个主要部分组成:具有3×3感应阵列的SI-TENG、信号处理电路和基于Labview程序的计算机。手指轻轻触摸传感器后,不同的输出电压将根据机械搅拌而变化。因此,开发的自供电类皮肤游戏控制器在自动控制、人机界面等领域具有巨大潜力。


总之,作者设计的可拉伸、超薄、可清洗且高度敏感的SI-TENG,实现了800%的应变、总厚度约为89 µm。此外,SI-TENG具有恒定的防水性能、高透射率和超高压力灵敏度。因此,对于自供电传感系统或作为下一代可穿戴电子设备的能源供应体,具有广阔的应用前景。



标签:化工原料技术中心今日头条石墨烯
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