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空軍軍醫(yī)大學(xué)白永康/桂林理工李裕琪 CEJ：在多響應(yīng)形狀記憶驅(qū)動(dòng)和自供電傳感集成化材料方面取得新進(jìn)展
2023-11-06  來源：高分子科技

  受自然界啟發(fā)，能夠響應(yīng)環(huán)境刺激的智能軟材料因其在軟機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、人機(jī)交互、可穿戴電子和航空航天等各個(gè)領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力而受到廣泛關(guān)注。然而，目前大多數(shù)研究主要集中在單一的傳感或驅(qū)動(dòng)功能上，難以滿足實(shí)際應(yīng)用對(duì)材料多功能性的需求。材料的集成化和多功能化是解決這一問題的有效途徑，已成為功能材料發(fā)展的重要方向。


  近期，空軍軍醫(yī)大學(xué)白永康副教授和桂林理工大學(xué)李裕琪教授合作，采用模板法制備了一種集多響應(yīng)形狀記憶驅(qū)動(dòng)和自供電傳感功能于一體的多孔復(fù)合材料。作為驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用，該多孔材料具有優(yōu)異的熱、光及水響應(yīng)形狀記憶性能。作為傳感器應(yīng)用，通過構(gòu)筑多孔材料基摩擦納米發(fā)電機(jī)（PTENG），使其既可以用作檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的壓力傳感器，又可用作濕度傳感器。此外，PTENG的輸出性能可以利用多孔復(fù)合材料的形狀記憶性能進(jìn)行調(diào)整，而PTENG的自供電傳感功能可以對(duì)驅(qū)動(dòng)器的形狀驅(qū)動(dòng)過程進(jìn)行自我監(jiān)測(cè)。相關(guān)工作以“Multi-responsive shape memory porous composites for self-powered sensors and self-sensing actuators”為題在《Chemical Engineering Journal》期刊發(fā)表。該工作得了到國(guó)家自然科學(xué)基金和廣西省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。


圖1 PVA/MWCNT多孔復(fù)合材料的制備示意圖


  該工作通過將PVA與甲基丙烯酸異氰酸乙酯（IEM）和聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）交聯(lián)制備了一系列多孔材料，研究了PVA多孔復(fù)合材料材料作為軟驅(qū)動(dòng)器的多響應(yīng)形狀記憶性能，揭示了其作為軟驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用前景；谛螤钣洃浘酆衔锏臒犰貜椥曰謴(fù)，PVA多孔復(fù)合材料可以表現(xiàn)出優(yōu)異的熱和近紅外光致形狀記憶性能，其形狀固定率和形狀回復(fù)率均可達(dá)94%以上；诖，研究進(jìn)一步展示了該多孔復(fù)合材料作為光響應(yīng)致動(dòng)器的潛在應(yīng)用。


圖2 PTENG的應(yīng)用


  為了實(shí)現(xiàn)多孔材料在自供電傳感器中的應(yīng)用，利用多孔材料和靜電紡絲聚偏氟乙烯納米纖維構(gòu)筑了接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)（PTENG），探究了不同交聯(lián)劑含量和不同填料含量以及不同拍打頻率下對(duì)輸出的影響。結(jié)果表明所構(gòu)筑的PTENG的最大輸出功率密度可達(dá)4.57 W m-2，并進(jìn)一步探索了該P(yáng)TENG在壓力傳感器以及濕度傳感器中的潛在應(yīng)用。


圖3形狀記憶調(diào)控TENG輸出及示意圖


  進(jìn)一步考察了多孔復(fù)合材料形狀記憶性能和自供電傳感功能的相互作用。基于PTENG的工作原理，其輸出性能與多孔材料界面和內(nèi)部孔隙的有效接觸面積密切相關(guān)，這為利用形狀記憶性能調(diào)控其PTENG輸出性能提供了可能。通過對(duì)PVA多孔材料不同方向及程度的壓縮，可以任意調(diào)控PTENG的輸出性能。然后通過兩個(gè)形狀記憶驅(qū)動(dòng)器驗(yàn)證了形狀記憶多孔復(fù)合材料的自供電傳感功能。首先，基于PTENG結(jié)構(gòu)以壓縮的多孔材料設(shè)計(jì)了一種形狀記憶驅(qū)動(dòng)器。在沒有近紅外光刺激的情況下，驅(qū)動(dòng)器沒有表現(xiàn)出形狀變化，因此兩個(gè)接觸面沒有改變，也沒有產(chǎn)生輸出電壓。而當(dāng)施加近紅外光時(shí)，隨著多孔結(jié)構(gòu)的恢復(fù)，壓縮樣品逐漸恢復(fù)到原來的形狀，從而產(chǎn)生電壓信號(hào)并同步增加。電壓隨著高度或形狀回復(fù)率的增加而相應(yīng)增加，表明形狀記憶驅(qū)動(dòng)器具有自感應(yīng)功能。同時(shí)設(shè)計(jì)了基于彎曲樣品的自感應(yīng)驅(qū)動(dòng)器，證實(shí)了形狀記憶執(zhí)行器的自感應(yīng)功能。與其他基于電阻變化的驅(qū)動(dòng)器傳感相比，這種自供電傳感功能將大大擴(kuò)展材料的應(yīng)用前景。


圖4 兩種自感應(yīng)形狀記憶驅(qū)動(dòng)器


圖5 光控開關(guān)及自感應(yīng)功能


  綜上所述，該研究報(bào)道了一種多功能PVA/MWCNT多孔復(fù)合材料，具有多響應(yīng)形狀記憶驅(qū)動(dòng)和自供電傳感功能。基于MWCNT的光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)以及親水PVA材料，多孔復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的熱、近紅外光和水響應(yīng)形狀記憶性能。利用多孔材料和PVDF納米纖維膜構(gòu)筑了一系列PTENG，可用于自供電壓力傳感器以檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的監(jiān)控，還可作為濕度傳感器對(duì)濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。此外，改材料憑借形狀記憶效應(yīng)可以很容易地調(diào)節(jié)PTENG的輸出性能，而形狀記憶驅(qū)動(dòng)器的自感知功能則可以通過PTENG的自供電感應(yīng)功能來實(shí)現(xiàn)。本工作提出了一種新的“材料-功能”方法，用于制造具有多響應(yīng)驅(qū)動(dòng)和自供電傳感特性的多功能材料，在軟體機(jī)器人、人機(jī)交互、自供電設(shè)備等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。


  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472305790X?dgcid=author

  下載：Multi-responsive shape memory porous composites for self-powered sensors and self-sensing actuators

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