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單向碳纖維強化的柔性壓電納米復合材料的原理、結構設計及應用

MEMS ? 來源:MEMS ? 2024-01-02 16:50 ? 次閱讀

據麥姆斯咨詢介紹,由日本東北大學(Tohoku University)和大阪工業大學(Osaka Institute of Technology)組建的一支聯合研究小組,通過將壓電復合材料與單向碳纖維(UDCF,單向碳纖維是一種僅在纖維方向上提供強度的各向異性材料)相結合,設計了一種新型高強度柔性器件。這種新器件可將人體運動的動能轉化為電能,為高強度自供電傳感器提供一種高效且可靠的方案。

運動能量收集涉及將人類運動的能量轉換為可測量的電信號,這對于確保可持續的未來至關重要。

該研究共同作者、東北大學環境研究生院教授Fumio Narita表示:“從防護裝備到運動器材,我們身邊的日常用品都可以作為物聯網的一部分接入互聯網,其中,很多都配備了收集數據的傳感器。將這些物聯網設備有效整合到個人裝備中,需要在電源管理和材料設計方面提供創新解決方案,以確保耐久性和靈活性。”

壓電材料在受到物理應力時能夠產生電能,因此可以利用機械能來為可穿戴設備供電。同時,碳纖維由于其耐用性和輕便性,可應用于航空航天和汽車工業、運動器材和醫療器械。

Fumio Narita教授說:“我們想探索利用碳纖維和壓電復合材料制成的柔性個人防護裝備,是否能在確保舒適性、耐久性的同時,提供傳感能力。”

研究團隊利用單向碳纖維(UDCF)和鈮酸鉀鈉(KNN)納米顆粒與環氧樹脂(EP)混合,制造了該器件,被稱為UDCF/KNN-EP。UDCF既充當電極,又作為一種定向強化物。

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內串聯雙壓電晶片型結構示意圖

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KNN–EP層材料表征

所制得的UDCF/KNN-EP器件不負眾望。測試表明,即使拉伸1000多次,它也能保持高性能。

事實證明,與其它柔性材料相比,當沿著纖維方向拉動時,UDCF/KNN-EP可以承受更高的負載。此外,當受到垂直于纖維方向的沖擊和拉伸時,它在能量輸出密度方面也超過了其它壓電聚合物。

大阪理工學院Uetsuji教授團隊,利用多尺度模擬分析了UDCF/KNN-EP器件的機械和壓電響應。

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UDCF/KNN-EP在壓力模式下的結構組成和受力圖;沖擊試驗示意圖,其中h為跌落高度。

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a)UDCF/KNN-EP傳感器應用場景;b)當棒球被接住時,UDCF/KNN-EP傳感器產生的電壓信號;c)原始信號的幅度頻譜圖(棒球接球動作)。

UDCF/KNN-EP設計有助于推動柔性自供電物聯網傳感器的發展,進而構建先進的多功能物聯網設備。

Fumio Narita教授及其同事對這一突破性技術進步感到興奮。

他說:“將UDCF/KNN-EP器件集成到運動裝備中,可以準確地檢測到接球響應和運動員的步頻。在研究中,我們利用UDCF的高強度來提高無電池傳感器的可持續性和可靠性,同時保持其定向拉伸性,為運動領域的未來研究提供了寶貴的洞察和指引。”






審核編輯:劉清

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原文標題:通過能量收集為運動傳感器供電的碳纖維壓電復合材料

文章出處:【微信號:MEMSensor,微信公眾號:MEMS】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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