压电传感器,再发Nature子刊!

学术   2024-12-26 21:25   河南  
        商用可穿戴压电传感器由于其电子封装而具有优异的抗干扰稳定性。然而,这种包装使得它们几乎不透气并且损害了人体的舒适度。为了解决这个问题,我们开发了一种具有313.3 MPa超高强度的PVDF压电纳米纱线,利用先进的3D纺织技术将其与不同的纱线编织形成三维压电织物(3DPF)传感器。 3DPF 的拉伸强度(46.0 MPa)在已报道的柔性压电传感器中表现出最高。 3DPF具有反重力单向液体输送功能,可以让汗水在4秒内从靠近皮肤的内层移动到外层,为用户带来舒适干燥的环境。需要注意的是,出汗并不会削弱3DPF的压电性能,反而会增强。此外,3DPF的耐用性和舒适性与商业棉T恤相似。这项工作为开发舒适灵活的可穿戴电子设备提供了一种策略。
      近日,西安工程大学樊威),南京林业大学葛省波和沙赫鲁德理工大学Mashallah Rezakazemi等团队合作开发了一种强度高达313.3 MPa的PVDF压电纳米纱,利用先进的3D纺织技术,将其与不同的纱线编织成三维压电织物(3DPF)传感器3DPF具有反重力单向液体输送功能,允许汗水在4秒内从靠近皮肤的内层移动到外层,为用户提供舒适干燥的环境。相关研究成果以题为“Sweat permeable and ultrahigh strength 3D PVDF piezoelectric nanoyarn fabric strain sensor发表在《Nature Communications》期刊上。西安工程大学樊威为论文第一作者和通讯作者。
图1  3D压电织物(3DPF)的制备和结构示意图
图2PVDF纳米纱线在拉伸前后的形态和性能

图3  3DPF的压电性能
图4 3DPF的耐用性和舒适性
         成功地利用共轭电纺和热拉伸方法开发出迄今为止具有最高强度(313.3 MPa)的PVDF压电纳米纱线。然后,我们将这些纳米纱线与具有不同吸湿性和导电性的普通纱线编织在一起,利用先进的3D纺织技术制成3D压电织物(3DPF)传感器。3DPF中的纱线根据其亲水性能从低到高排列。Z方向的Coolmax纱线牢固地将它们固定在一起,具有强大的芯吸引力。由于3DPF中的纱线是直的,因此这种特定组件在已报道的PVDF压电材料中具有最高的拉伸强度,达到46.0 MPa。3DPF由于Z纱线的不对称润湿性和毛细作用具有有效的抗重力单向水传输。这使得汗液可以在4秒内从贴近人体的内层传输到外层,从而保证皮肤的干爽和舒适。PVDF压电纳米纱线和导电纱线位于3DPF的中间层,而内层和外层则由非导电的聚酯和维纶纱线组成。这无需额外的密封处理,使得3DPF的舒适度和耐用性与商用棉质T恤相当。

           此外,值得注意的是,3DPF的压电特性实际上是由人体汗液增强的,而不是减弱的。具体来说,3DPF在干燥状态下的感应灵敏度为0.41 V/kPa,在湿润状态下为3.95 V/kPa。此外,响应时间从干燥状态下的100毫秒减少到湿润状态下的50毫秒。这些显著的特性使3DPF成为一种潜在的自供电开关,可以由个人长时间佩戴,触发警报信号或位置信息,并通过基于STM32的Wi-Fi或4G模块进行传输,从而促进及时救援。该智能可穿戴织物在舒适性和感应性能之间取得了平衡,使智能可穿戴产品能够长时间佩戴在人体上成为可能。
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