据麦姆斯咨询介绍,由日本东北大学(Tohoku University)和大阪工业大学(Osaka Institute of Technology)组建的一支联合研究小组,通过将压电复合材料与单向碳纤维(UDCF,单向碳纤维是一种仅在纤维方向上提供强度的各向异性材料)相结合,设计了一种新型高强度柔性器件。这种新器件可将人体运动的动能转化为电能,为高强度自供电传感器提供一种高效且可靠的方案。
运动能量收集涉及将人类运动的能量转换为可测量的电信号,这对于确保可持续的未来至关重要。
该研究共同作者、东北大学环境研究生院教授Fumio Narita表示:“从防护装备到运动器材,我们身边的日常用品都可以作为物联网的一部分接入互联网,其中,很多都配备了收集数据的传感器。将这些物联网设备有效整合到个人装备中,需要在电源管理和材料设计方面提供创新解决方案,以确保耐久性和灵活性。”,压电材料在受到物理应力时能够产生电能,因此可以利用机械能来为可穿戴设备供电。同时,碳纤维由于其耐用性和轻便性,可应用于航空航天和汽车工业、运动器材和医疗器械。
Fumio Narita教授说:“我们想探索利用碳纤维和压电复合材料制成的柔性个人防护装备,是否能在确保舒适性、耐久性的同时,提供传感能力。”,研究团队利用单向碳纤维(UDCF)和铌酸钾钠(KNN)纳米颗粒与环氧树脂(EP)混合,制造了该器件,被称为UDCF/KNN-EP。UDCF既充当电极,又作为一种定向强化物。
内串联双压电晶片型结构示意图,
KNN–EP层材料表征,所制得的UDCF/KNN-EP器件不负众望。测试表明,即使拉伸1000多次,它也能保持高性能。
事实证明,与其它柔性材料相比,当沿着纤维方向拉动时,UDCF/KNN-EP可以承受更高的负载。此外,当受到垂直于纤维方向的冲击和拉伸时,它在能量输出密度方面也超过了其它压电聚合物。
大阪理工学院Uetsuji教授团队,利用多尺度模拟分析了UDCF/KNN-EP器件的机械和压电响应。
UDCF/KNN-EP在压力模式下的结构组成和受力图;冲击试验示意图,其中h为跌落高度。
a)UDCF/KNN-EP传感器应用场景;b)当棒球被接住时,UDCF/KNN-EP传感器产生的电压信号;c)原始信号的幅度频谱图(棒球接球动作)。
UDCF/KNN-EP设计有助于推动柔性自供电物联网传感器的发展,进而构建先进的多功能物联网设备。
Fumio Narita教授及其同事对这一突破性技术进步感到兴奋。
他说:“将UDCF/KNN-EP器件集成到运动装备中,可以准确地检测到接球响应和运动员的步频。在研究中,我们利用UDCF的高强度来提高无电池传感器的可持续性和可靠性,同时保持其定向拉伸性,为运动领域的未来研究提供了宝贵的洞察和指引。”,