用于人体健康管理的摩擦纳米发电机多功能器件

摘要

自2012年摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator,TENG)被首次报道以来，由于TENG将机械能转化为电能的特点，以及产生的电信号在外加机械力作用下良好的可调节性，使其在兼具能源器件和无源应力传感器应用方向上具有巨大的应用前景，因此基于TENG的可穿戴健康监测产品得到了快速的发展。尽管如此，基于TENG的可穿戴健康监测产品仍面临以下问题： (1)输出功率不足以满足应用需求。现有的TENG由于所用材料、器件结构等诸多因素，依然需要进一步的改善和提升。 (2)功能较为单一。现有的TENG在人体健康检测中的应用多集中于人体本身的应力传感功能。忽略了对于人体热管理、人体所处环境等因素的检测。 (3)服用性不高。对于可穿戴人体健康检测器件，长时间的监测穿戴是十分必要的。现有的TENG器件往往为了追求高输出和功能性而忽略了服用性。如何与服装更好地集成，在保证器件功能性与持久性良好的条件下，实现可穿戴器件的高柔性、拉伸性以及透气性依然是研究的难点。 针对以上问题，本论文将通过对不同发电机理的深入探讨；选用功能性材料、引入新的电极材料；采用简单便捷且具有普适性的制备方法及设计巧妙的集成结构，实现提高TENG的输出功率的同时集多功能性与优良服用性为一体。具体研究内容如下： (1)将摩擦电与压电效应相结合，制备全纤维摩擦电-压电混合器件。采用静电纺丝的方法，在导电织物表面分别制备了分布均匀的蚕丝蛋白(直径：280nm)和聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维(直径：160nm)。其中，PVDF既是摩擦材料也是压电材料。在外力按压器件时，不仅能够得到摩擦电信号，同时也收集PVDF变形所产生的压电信号。通过有限元分析以及输出电压测试，调控了摩擦电与压电效应的增益结合。器件具有良好的透气性和可裁剪性，我们将其穿戴于人体，实现自供能动作实时监测与跌倒警报。 (2)通过层层包覆的方法，制备了由内向外依次为尼龙织物、银纳米线网络、聚二甲基硅氧烷以及十三氟辛基三乙氧基硅烷的柔性TENG器件。器件表面接枝氟硅烷单分子层，将其输出电压提高约10倍。该方法操作简单快捷，无需昂贵的设备，具有普适性。银纳米线网络的引入不仅能起到集流体作用，也可充当人体辐射红外线的阻挡层，达到比普通衣物更加保温的效果，同时可作为随身柔性加热器使用。该器件集产能、保温和加热的功能于一体，实现对人体热能管理。 (3)选取UV和IR光敏材料氧化锌和石墨烯集成为典型垂直结构的TENG，从而将TENG应用范围拓展到光检测领域。通过实现机械能-电能转变和光热能-电能转变，分别为紫外和红外光检测供能，达到自供能多重光检测的功能，实现对人体周围环境的光线监控。器件在红外光区域的光响应度达到0.25A/W，紫外光区域光响应度为0.29mV/W。 (4)引入凝胶离子导体作为电极材料，克服TENG器件拉伸性不高的难题，器件可以拉伸到原长度的200%，能够更好地贴合肌肤或服装。同时，器件在不同拉伸率下输出不同的电信号，达到自供能拉伸率检测的目的。采用静电纺丝法制备有取向的聚偏氟乙烯纳米纤维膜，在检测拉伸率的同时能够识别拉伸方向。这种器件有潜力应用于人机交互、人工智能及健康监测等多个领域。

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