基于天然纤维织物制备的柔性储能器件因其来源丰富、价格低廉和结构设计成熟可靠等优点而备受关注,但是天然纤维本体存在比表面积低、储能密度低等问题。本工作采用高温碳化、N,S-共掺杂、强碱刻蚀造孔调节孔容孔径与比表面积、浸渍负载电化学活性材料MXene等多步处理法对商用棉布进行处理,通过对材料化学组成、微观形貌、微孔结构、储能行为等展开研究,探索多步处理手段对材料的影响。结果表明,经过多步处理后的材料保持了较好的柔性特征,实现了N,S 元素共掺杂,同时改善了碳布材料的微观结构。碳布材料表面的平均孔径从36.44 nm减小至2.03 nm,其比表面积从1.78 m2/g增加到1043.37 m2/g,比表面积的增幅达到了58516%,总孔容也从0.0162 mL/g提高到了0.53 mL/g。经过复杂的处理,碳布材料取得了530.83 F/g的高比电容。但是本材料也存在倍率性能差、储能性能不稳定的问题亟需后续的工作改进。本工作为进一步改善柔性碳基材料的储能性能指明了方向并提供了技术和理论参考。
柔性纺织复合材料因具有柔韧性和可折展特性在变构型飞行器的应用中获得越来越多的关注,然而其力学性能仍有很大的不确定性。对石英纤维/硅橡胶柔性纺织复合材料进行5种偏轴角度的单轴拉伸实验,研究其单轴拉伸力学行为。针对石英纤维脆性强和硅橡胶涂层柔韧性强的特点,建立一种石英纤维/硅橡胶柔性复合材料的超弹性本构模型,将应变能密度函数解耦为经向、纬向的拉伸应变能密度函数以及将硅橡胶拉伸与纤维剪切耦合的应变能密度函数,基于单轴拉伸实验数据确定模型参数,与偏轴拉伸实验结果对比表明超弹性本构模型对面内拉伸行为预测误差小于3.88%。针对变构型飞行器中膜材柔性、可大变形的特点采用一种圆形膜材气压加载实验验证方法,可向柔性复合材料的膜面均匀施加载荷,并通过有限元软件Abaqus的用户子程序UANISOHYPER_INV实现所采用的超弹性本构模型,仿真数据与实验数据误差小于2.9%,表明所建立的超弹性本构模型对石英纤维/硅橡胶柔性复合材料的力学表征和数值仿真均具有良好的适用性。
柔性压力与应变传感器随着医疗及电子互联领域的发展而受到越来越广泛的关注,其中离子导电凝胶由于具有仿生结构、合适的力学性能和良好的生物相容性等优良的物理化学性能,在柔性电子传感领域显示出了极大潜力。本文综述了离子导电凝胶的分类、制备方法、特点及其在柔性压力与应变传感器中的应用。首先介绍了离子导电凝胶在压力与应变传感器中的传感模式,然后按照导电原理的不同将其分为金属离子凝胶、离子液体凝胶以及聚电解质凝胶三大类,从合成方法、性能特点、改良方法等方面系统介绍了其在压力与应变传感器中的应用及研究进展,分析了其潜在的应用前景和发展趋势。最后,总结了目前存在的挑战并做出了展望,认为离子导电凝胶在智能柔性传感领域仍有着巨大的探索空间和应用潜力。
摩擦起电(triboelectrification,TE)是几乎所有材料表面都存在的物理现象,而半导体材料的TE不同于起静电的介电材料。在半导体与半导体或金属的动态接触界面上,机械摩擦导致界面原子间化学键合的不断破坏和重建过程,释放能量量子(也称键合子)来激发半导体界面的非平衡电子-空穴对,被激发的电子-空穴对在p-n结(或肖特基结、半导体异质结)的内建电场的作用下分离,从而在外电路产生直流电,该现象被称为摩擦伏特效应。此过程类似于光伏效应,不同之处在于能量的来源。在摩擦伏特效应中,电子-空穴对是由界面处原子瞬时跃迁释放的能量或界面处形成新键时释放的能量来激发,而光伏效应则是由光能激发。本文综述了基于摩擦伏特效应的直流发电机的研究进展,包括机理研究、材料与器件设计、表面改性增强策略等多个方面,并讨论了摩擦伏特器件在可穿戴设备领域作为柔性直流电源的设计开发、性能优化以及未来潜在应用场景。
目前智能可穿戴设备大多为智能手表、手环等,具有刚性大、舒适性差和需要频繁充电的问题,难以满足人体工效学和服装舒适性的要求,无法长久穿戴实现全天候的监测。基于纺织品的摩擦纳米发电机(textile triboelectric nanogenerator, T-TENG)可集成到鞋服中作为柔性电源和自供电传感器使用,是一种理想的人体主动健康监测和执行的可穿戴器件。然而,目前报道的柔性可穿戴织物基器件大多需要经过封装处理后再集成到服装上,造成服装透气性下降。此外,目前的研究大多数处于实验室阶段,没有充分考虑T-TENG在实际使用过程中耐久性、灵敏性和稳定性等性能。本文综述了T-TENG的基本工作模式、材料选择、制造方法、集成鞋服的方式及应用场景,重点讨论了纳米纤维膜和纺织复合材料的T-TENG、纤维/纱线基T-TENG和织物基T-TENG的制备方法,提出了未来舒适型T-TENG的研发与在服饰上的集成新策略,包括T-TENG的规模化制备、T-TENG与传统服饰的一体化集成、T-TENG的监测精度与舒适性的兼容以及T-TENG的耐用性和稳定性。
可穿戴传感器在运动、医学、康复等多个领域的应用极大地方便了对人体运动指标信号的捕捉和监测,有效避免了运动损伤,降低了就医频率甚至挽救了许多生命。随着可穿戴传感器的应用和普及,与之适配的柔性能源供应系统成为其发展的关键。近年来研究者们基于不同的能量释放方式,研究和设计了多种柔性能源供应系统,其中柔性锌离子电池以其高能量密度、高弹性模量、高循环稳定性和高安全性在众多供能体系中脱颖而出,成为可穿戴传感器最具潜力的柔性能源供应系统之一。本文综述了柔性锌离子电池近年来在可穿戴传感器方面的研究进展,主要介绍和总结了电池各组件(集流体、电极(正极、负极)、隔膜、电解质、封装)的材料类型、特点以及与可穿戴传感器集成的应用情况,最后讨论了柔性锌离子电池目前面临的问题和挑战。
可穿戴材料与器件正朝着柔性、轻薄、无感、智能化和可长期佩戴等方向发展,以满足人体生理心理等个性化需求。这一趋势为运动健康监测领域带来了革新,并得到了学术界和工业界的广泛关注。然而,在满足人体个性化发展需求的同时,可穿戴柔性材料与器件本身也面临着机械鲁棒性、信号稳定性、软硬接口连接和生物相容性等性能方面的挑战。因此,本文旨在从实际运动健康监测需求的角度出发,讨论构建可穿戴柔性材料与器件的材料、结构和制备工艺。同时,深入探讨了其在机械、电气和生物性能等方面所面临的主要挑战因素及其解决路径。最后,预测了未来可穿戴柔性电子材料与器件的发展方向,包括全柔性集成、机械鲁棒性的增强、信号解耦与识别的高精度化、监测的稳定性与灵敏度、快速响应性、超薄无感设计、多模态信号处理以及智能化自适应反馈等。
电子皮肤作为具有模仿人类皮肤感知功能的新型的柔性可穿戴传感器,具有轻薄、柔软、灵活等特点,可将外界刺激转化为不同的输出信号,近年来在健康监测、人机交互等领域展现出巨大的应用潜力。本文从构建电子皮肤的智能材料角度出发,对电子皮肤常用基体和导电填料及其几何结构构建等方面进行了综述,并基于电子皮肤应用所需面对的复杂环境对其生物相容性、黏附性、自修复性、自供电性等应用性能需求进行讨论,进而指出电子皮肤在研究过程中仍然存在对人体皮肤的综合感知性能差、制备工艺复杂且昂贵、感知刺激信号存在滞后性等问题,通过材料和结构优化提升电子皮肤基础性能,从而构建优异性能、多功能化、多种外界刺激同步检测成为电子皮肤发展趋势,并且在医疗诊断、软体机器人、智能假肢和人机交互等领域表现出极大的潜力。
可穿戴设备具有良好的便携性和隐蔽性,可在人体穿戴后实现预设功能。药物递送指将药物通过合适载体或技术以一定方式和规律运输到患者体内产生治疗作用,可提高药物的稳定性与生物利用度。将可穿戴设备与药物递送相结合,可实现根据患者疾病信号或人为指令的释药,以及对患者体内药物浓度的监控,取代对医生和医院的依赖,获得最佳疾病治疗时机和治疗效果。可穿戴药物递送系统可直接佩戴在体表,具有无创和自行给药的特点。微针皮肤贴片、伤口愈合贴片、智能隐形眼镜等是最常见的可穿戴药物递送系统。本文对近5年可穿戴设备在治疗糖尿病、伤口愈合、眼部疾病和癌症等疾病和药物递送中的最新研究进展进行了综述,对可穿戴药物递送系统发展面临的问题和挑战进行了简单总结,并对其发展方向进行了展望。
壳聚糖水凝胶具有优异的可降解性和生物相容性,已成为构筑柔性应变传感器的重要材料。基于壳聚糖导电水凝胶的柔性应变传感器具有超强的环境适应力,广泛应用于健康监测、植入式设备等生物医学领域中。本文综述了壳聚糖导电水凝胶的制备方法和导电机制,总结了壳聚糖导电水凝胶在耐低温型、自修复型及自黏型的功能性柔性应变传感器中的应用现状,最后指出制备工艺的优化、新材料的应用、人工智能化是壳聚糖导电水凝胶柔性应变传感器未来的重点研究方向,旨在为柔性应变传感器多功能应用的进一步发展提供理论基础和实践指导。
柔性压力传感器可以附着在人体皮肤感知外界压力信号,且具有传感范围广、响应时间短、灵敏度和耐久性高等特点,因此被广泛应用于电子皮肤和人机交互等领域。柔性压力传感器通常由柔性基底、活性材料、导电电极组成。其中,一种或多种活性材料通过与柔性基底复合形成传感材料,其受外界刺激产生的变形会引起阻值等变化,进而实现传感功能。此外,通过引入微结构可增加传感材料的可压缩性以及对微小压力的敏感度,提升传感性能。本文围绕薄膜和织物两类基底,综述了在其中掺杂碳基、金属基与黑磷基等活性材料的柔性压力传感器的研究,重点论述了不同传感器的制备方法、机电性能与应用场景,总结了各类传感器的优缺点。在此基础上,对未来智能可穿戴柔性压力传感器如何实现宽范围压力检测、商业化以及制作流程无毒化与长时期生物相容性实验等方面的研究做出了展望。
碳纤维三向织物因其具有结构稳定、密度小和准各向同性特点,在空间展开装置具有良好应用前景。为研究碳纤维三向织物/热塑性聚氨酯(thermoplastic polyurethanes,TPU)柔性复合材料变形性能,通过热压法将TPU与碳纤维三向织物复合,结合金相显微镜与扫描电子显微镜进行观测,建立三向织物单胞模型,计算模型截面惯性矩,结果表明:纬向截面惯性矩大于经向的,三向织物纬纱方向更难变形;对碳纤维平纹织物与三向织物进行悬垂实验,结果表明:三向织物变形能力强于平纹织物,并且三向织物在悬垂时经向变形大于纬向,与模型截面惯性矩的计算结果一致;对碳纤维三向织物/TPU柔性复合材料在0°,15°和30°方向进行拉伸实验,分析3种角度不同应变阶段载荷曲线变化和极限载荷。
随着可穿戴电子产品的微型化发展,开发轻柔、灵活、体积小、能量密度高的柔性储能器件成为研究的热点。以芳纶纳米纤维(aramid nanofiber,ANF)作为纤维增强柱撑材料,采用真空抽滤的方法制备MXene/ANF柔性自支撑电极,避免引入集流体和黏合剂等“死体积”,并将其组装成全固态对称超级电容器。随着ANF含量增加至15%(质量分数),MXene/ANF自支撑电极的拉伸断裂强度增加至151.5 MPa,而电导率降低至1371.1 S/cm,在1 A/g的电流密度下表现出432.7 F/g的高比电容。组装的柔性对称全固态超级电容器的能量密度为25.7 Wh/kg,对应的功率密度为523.1 W/kg,具有优异的柔韧性和长循环寿命(10000周次循环充放电后,电容保持率为88.9%)。
以木材为原料, 通过脱基质处理获得木材纤维骨架, 在其多孔结构中利用原位聚合法构建以聚乙烯醇(PVA)/聚丙烯酰胺(PAM)为双网络结构填充相的高强度木基复合凝胶。通过调控PVA及PAM在复合凝胶体系中的质量比, 系统研究制备所得木基复合凝胶的宏/微观形貌、力学性能、光学性能及表面化学性能等变化规律。结果表明:在聚丙烯酰胺/木材纤维骨架中引入少量PVA, 通过构建双网络结构, 能够有效提升木基复合凝胶的力学性能, 其最大拉伸强度可达16.47 MPa, 断裂伸长率约为11.61%。将木基复合凝胶作为柔性基材组装构建传感器件, 电导率为1.8 S/m, 发现木基传感器在多种形变下均表现出稳定可重复的相对电流信号变化。
在氧化石墨烯分散液中加入十二烷基糖苷作为发泡剂形成氧化石墨烯微泡团聚体, 通过浸渍法与聚氨酯海绵骨架复合后经过液氮的极速冷冻以及肼蒸气的还原, 构筑了一种有着特殊三维分级多孔结构兼具超疏水和柔性压阻传感性能的还原氧化石墨烯/聚氨酯复合海绵。结果表明:基于还原氧化石墨烯/聚氨酯复合海绵的柔性应力应变传感器的灵敏度系数(GF)最高可达3.8, 响应时间低至45 ms;另外, 还原氧化石墨烯/聚氨酯复合海绵还具有良好的超疏水性, 水接触角(WCA)达152.5°, 在潮湿及水下等复杂环境中具有潜在的应用价值。
研究碳纤维编织布用于锂离子电池三维一体化正极的可行性, 对三种经过热处理碳布的石墨化程度进行定性分析和定量计算。以锂金属作为对电极, 石墨化的碳布电极在0.1~0.5 V的电压下首次放电比容量分别为83.6, 94.5 mAh∙g-1和115.2 mAh∙g-1, 经过50周次循环充放电后比容量分别为55.0, 80.0 mAh∙g-1和88.0 mAh∙g-1左右。将石墨化的碳布负载LiFePO4后, 电极的首次放电比容量分别为73.2, 109.5 mAh∙g-1和130.2 mAh∙g-1。对于石墨化程度为76.02%的碳布, 经过50周次循环充放电后比容量稳定在90.0 mAh∙g-1左右, 综合电化学性能较好, 更适合用于锂离子电池的一体化柔性正极。通过建立LiFePO4颗粒与碳纤维之间相互作用的力学模型, 探讨一体化正极的力学性能、电学性能和电化学性能之间的关系。将碳布用于锂离子电池一体化正极, 可以简化锂离子电池的常规生产过程, 革新其生产方式。
汗液中含有人体诸多生理信息, 如电解质、代谢物、激素、温度等。基于汗液的可穿戴式传感器可对多模态生物指标实现分子层面上的实时、连续、非侵入式监测, 在运动感知、疾病预防以及健康管理等领域具有重大发展潜力, 而被广泛研究。本文阐述了可穿戴汗液传感器集成结构中基底、集汗、传感、电源和决策五大模块, 着重强调了纳米结构(如金属基、碳基等材料)在电化学传感敏感材料中表现出的优异性能及应用, 最后讨论了可穿戴汗液传感器在微量汗液收集及多参数传感中物理化学变量的可变性等方面存在的挑战。针对汗液收集和实时校准两个关键问题, 提出可穿戴汗液传感未来发展方向包括仿生微流控技术和多参数反馈调控方法, 实现微量汗液高效收集及精确检测, 将有效推动汗液传感在慢性重大疾病实时预警的应用和发展。
涤纶织物/聚氯乙烯(PET/PVC)柔性复合材料具有质轻、高强及良好的可加工性能, 被广泛应用于体育休闲、广告印刷等户外产品。然而, 在高温、高湿等极端环境中, PET/PVC极易因吸水而造成自身力学性能的下降。采用含氟丙烯酸酯嵌段共聚物对PET织物进行改性, 然后通过涂覆法得到抗芯吸PET织物增强PVC树脂基柔性复合材料(F-PET/PVC), 进而探究其耐湿热老化机理。结果表明:当抗芯吸剂浓度为20 g/L时, PET织物的水接触角从0°增大至114.5°, F-PET/PVC的芯吸高度降低了约94.29%, 且剥离性能降幅较小, 约为15.87%。此外, 湿热老化测试表明F-PET/PVC的耐湿热老化性能优于PET/PVC, 其界面剥离强度和拉伸强度损失率分别由7.41%和3.61%下降为3.08%和0.48%, 有望为环境用织物增强树脂基复合材料的耐久性设计提供参考。
随着物联网的发展,微型化自供电电子产品的快速发展和进一步微型模块化大大刺激了对微尺度的电化学储能装置的迫切需求。在各电化学储能装置中,基于平面图案形状的超级电容器在小型化和集成化等功能性特征上与现代电子产品高度兼容。本工作采用半导体制备技术与电流体喷印技术相结合的方法制备柔性3D叉指电极对称微型电容器,并采用富氧活性炭油墨进行3D喷印,通过调控优化电场强度、线宽、喷印层数等参数,制备3D叉指对称电极,采用电子散射能谱(EDS)、扫描电子显微镜(SEM)、流变仪、电化学工作站以及器件测试系统对材料、浆料以及微型电容器器件进行表征,探究材料以及浆料对3D叉指电容器性能的影响,结果表明:利用半导体和电流体喷印相结合工艺制备的3D叉指微型电容器具有优异的性能,其面积电容可以达到22.3 mF·cm-2,此外,通过封装优化,此器件在循环2000周次后可以实现96%的容量保持率。这种简易可控制的3D喷印技术为先进的微型化电化学储能器件提供了一种有效的制备途径。
聚合物离子凝胶是一种由离子液体(IL)和聚合物基质构成的新型凝胶体系, 具有优异的可拉伸性、较高的电导率和较好的稳定性, 在柔性电子产品领域具有广阔的应用空间, 备受国内外研究者关注。通过调研整理近年来相关领域的研究进展, 本文综述了聚合物离子凝胶材料的基质分类, 讨论了导电水凝胶的改性方法, 阐述了离子凝胶在相关领域的应用, 并在此基础上总结展望了聚合物离子凝胶面临的挑战与未来的发展方向。指出开发具有优异力学性能、高电导率、可降解的离子凝胶是未来研究的重点。同时, 提高离子凝胶的环境稳定性, 降低离子凝胶的制备成本是实际应用中亟须解决的难题。离子凝胶的制备与应用研究将促进柔性电子材料的飞速发展。
可承受大而复杂变形的能量存储设备的开发对于新兴可穿戴电子设备至关重要。目前,由导电聚合物制成的水凝胶在加工过程中实现了高电导率和多功能性的融合。利用简单的两步共聚方法成功构建了一种具有丰富微孔结构的水凝胶超级电容器:聚乙烯醇(PVA)和聚丙烯酰胺(PAM)形成双交联网络水凝胶,赋予刚性聚苯胺柔性,此外,聚丙烯酰胺提高了聚苯胺基水凝胶的机械强度,使得聚苯胺基(NPP)水凝胶具有良好的力学和电化学性能,在1 A·g-1其抗拉强度和比电容分别为0.3 MPa与269.12 F·g-1。聚苯胺(PANI)的添加减小了聚乙烯醇和聚丙烯酰胺双交联网络水凝胶(PP)电极的内阻,其修饰后的电阻值为39.184 Ω,这使得NPP水凝胶实现了较高的电子传输能力。这种水凝胶的灵活开发集成为能源系统提供了一种替代策略,适合于超级电容器等多种应用。
近年来,随着汽车、石油、核电和航空航天等高温领域的发展,应用于极端环境中的无损检测、可持续自供电设备用宽温域压电材料成为研究热点。然而,具有优异压电性和高温稳定性的宽温域压电材料,由于质脆、硬度大,致使所制器件无法兼具柔性及高温稳定性而在高温精密化作业、可穿戴健康检测等应用中受到极大限制。因此基于宽温域压电材料的柔性化设计,以实现耐高温柔性压电装置的制备并最终大幅拓宽压电装置的高温工作潜力,成为目前压电器件的重要发展方向。本文首先针对300 ℃以下环境中应用的压电材料(锆钛酸铅、钛酸钡和碱金属铌酸盐)和500~1000 ℃环境中应用的Ⅲ族氮化物的研究进展进行了介绍,然后分析基于这些材料的柔性化设计技术及柔性化设计过程中所用衬底或复合基体的种类对最终器件高温稳定性的影响。
柔性可穿戴压力传感器具有舒适性高、可编织性强以及可模仿人类皮肤对外界刺激做出敏锐的感知和响应等独特性能,可作为人工电子皮肤被广泛应用于医疗检测、疾病诊断、人体运动跟踪以及健康监测等领域。近年来,基于柔性可穿戴压力传感器的设计、构筑、性能探究和开发受到研究者的广泛关注。利用静电纺丝法制得的纳米纤维膜具有孔隙率高、比表面积大、易于功能化改性等优点,使其在柔性传感器构筑领域展现出极大的应用潜力。基于此,本文对静电纺纳米纤维在柔性可穿戴压力传感器方面的研究及进展进行了综述。简要介绍了可穿戴压力传感器的特点,阐述了静电纺丝技术及静电纺纳米纤维在制备柔性可穿戴压力传感器方面的优势,重点讨论了基于静电纺的柔性可穿戴压力传感器在不同领域的研究应用,最后对低成本制造具有高分辨率、高灵敏度、精确的响应性的基于静电纺的柔性可穿戴压力传感器研究做了总结和展望。
柔性能量存储设备处于下一代电源的最前沿,其中最重要的组件之一就是凝胶电解质。采用自由基聚合法制备PAM/P123锌离子电池用双网络凝胶电解质,结果表明:加入少量三嵌段共聚物P123,宏观上提高凝胶电解质的抗拉强度、韧性和抗压强度,同时微观上使凝胶骨架形成0.6 μm的中孔并提高表面孔分布密度,进而提高了电解液的浸润性。PAM/P123系列电解质不仅具有高平均溶胀率,而且在-30~65℃范围内电导率均高于纯PAM电解质。其中PAM/P123-2性能最佳,具有1920.79%平均溶胀率,且在0℃时的离子电导率为36.2 mS·cm-1。使用该凝胶电解质制备的柔性准固态Zn/MnO2电池在0℃下充放电稳定,1000周次循环后容量保持率达82.39%。
随着便携式、可穿戴电子器件的迅速发展,柔性储能器件的研究逐渐转向微型化、轻柔化和智能化等方向。同时人们对器件的能量密度、功率密度和力学性能有了更高的要求。电极材料作为柔性储能器件的核心部分,是决定器件性能的关键。柔性储能电子器件的发展,又迫切需要新型电池技术和快速、低成本且可精准控制其微结构的制备方法。因此,柔性锂/钠离子电池、柔性锂硫电池、柔性锌空电池等新型储能器件的研发成为目前学术界研究的热点。本文论述了近年来柔性储能电池电极的研究现状,着重对柔性电极材料的设计(独立柔性电极和柔性基底电极)、不同维度柔性电极材料的制备工艺(一维材料、二维材料和三维材料)和柔性储能电极的应用(柔性锂/钠离子电池、柔性锂硫电池、柔性锌空电池)进行对比分析,并对电极材料的结构特性和电化学性能进行了讨论。最后,指出了柔性储能器件目前所面临的问题,并针对此类问题展望了柔性储能器件未来的重点在于新型固态电解质的研发、器件结构的合理设计及封装技术的不断优化。
人体皮肤能够感知外界的信息,在与外界交流中起着重要的作用。模仿人体皮肤特性和环境感知能力的电子皮肤在医疗监控、仿生假肢与机器人触觉感知等领域中有着广泛的应用。与传统的可穿戴传感器相比,电子皮肤更轻、更灵活、更具延展性,而且具有无线、透明、与人体皮肤兼容等特性,已成为新兴的研究领域之一。电子皮肤可以连续检测人体的大量物理和生化参数、人体运动、气体等,以实时监测人体健康、体育运动以及各种环境中的气体。本文综述了电子皮肤所使用的最新材料,包括零维(0D)、一维(1D)、二维(2D)和三维(3D)微纳米材料、聚合物材料、水凝胶材料及其复合材料等;详细归纳了基于这些热点核心材料所构建的电子皮肤在健康监测、运动监测以及气体监测等生命健康领域中的应用;指出了电子皮肤在研究过程中依然存在着成本高、工艺复杂等技术难题,但电子皮肤发展趋势朝着多功能化和多种外界刺激同步检测发展,并且在医疗设备、机器技术及未来的制造领域中应用前景广阔。
随着电子信息技术的发展和人们对便捷生活的追求,智能柔性可穿戴装置受到越来越多的关注,并取得相关研究成果。在智能可穿戴装置的发展中,柔性导电材料起着至关重要的作用。导电纱线作为最基础的柔性导电纺织材料,广泛应用于智能可穿戴产品中。然而,传统的纺织材料通常是绝缘材料,不能直接形成导电纱线和智能可穿戴产品。本文重点介绍金属基导电纱线、碳基导电纱线、导电聚合物基导电纱线的制备方法以及在可穿戴应变传感器、可穿戴超级电容器、可穿戴电热装置等方面的应用研究进展,客观分析近年来导电纱线亟待解决的问题,主要包括提高导电纱线的导电性、柔性以及环境稳定性等。此外,针对智能可穿戴装置所需的方便性、舒适性、耐洗性、灵敏性,提出进一步优化柔性导电纱线的灵敏性、耐久性以及纺织材料与导电材料的结合方法是可穿戴柔性智能产品的主要发展方向。
以超级电容器的电极材料制备、性质研究及对组装非对称超级电容器的性能研究为核心内容,提高超级电容器电化学性能为主要目的,采用原位聚合法制备羧基化多壁碳纳米管(PI-MWCNTs)接枝的聚酰亚胺溶液,将其作为氮掺杂碳的前驱体,实现复合物在碳布表面的生长,并作为电极材料。以二氧化锰-碳布(MnO2-CC)为正极,多壁碳纳米管接枝的聚酰亚胺-碳布为负极(PI-MWCNTs-CC),构建非对称超级电容器。采用扫描电子显微镜、拉曼光谱、X射线衍射、比表面积及孔径测试、循环伏安、恒电流充放电及电化学阻抗谱对电极材料的结构和电化学性能进行表征。结果表明:当扫描速率为20 mV/s时,非对称电容器的电势窗口可增至1.3 V,其体积比容量为1.80 F/cm3;当功率密度为14.08 mW/cm3时,能量密度可达到0.423 mWh/cm3。
钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells,PSCs)因其制备简单、光电转化效率较高等优点而备受关注。静电纺碳纳米纤维膜(carbon nanofiber films,CNFs)具有高比表面积、良好的电学性能和化学稳定性,但其脆性限制了它的应用。利用静电纺丝法结合水热法制备柔性导电Ag/ZrO2/C复合纳米纤维膜,然后将其应用于PSCs的对电极,研究不同Ag纳米颗粒添加量对柔性复合纳米纤维膜和电池的性能影响。结果表明:当银前驱体溶液质量浓度从0 g/mL增加至0.030 g/mL时,Ag/ZrO2/C复合纳米纤维表面的Ag纳米颗粒的包覆越来越好,薄膜显示良好的柔韧性,其抗弯弹性模量为0.479 MPa,电导率从866 S/m增加到4862 S/m,提高了薄膜的空穴电子传输能力,进而增强PSCs的性能。当溶液质量浓度为0.030 g/mL时,器件具备最优的光电转换效率(6.05%)和最大电流(18.44 mA/cm2)。
本文简述了阻变存储器的基本结构、工作原理、发展历程和研究现状,归纳总结了柔性阻变存储器的材料体系,包括介质材料、电极材料和基底材料,以及柔性阻变存储器材料体系的总体趋势和最新研究进展;分析了柔性阻变存储器的性能特点,包括存储性能和力学性能。阐述了发展柔性阻变存储器的重要意义与面临的挑战,提出了该领域现在研究中存在的不足和未来需要进一步研究的方向。得出力学性能稳定的高电导可拉伸电极和存储性能稳定的可拉伸介质是柔性阻变存储器材料今后发展的主要方向。
运用ANSYS有限元模拟软件对镀银纱线在织物中加热过程进行数值模拟,并通过调整镀银纱线之间的距离和施加电压分析不同条件下加热织物内部和周围空气中热场分布情况。根据模拟结果制备镀银纱线加热织物,验证模拟结果并研究电加热织物电热性能。结果表明,随着电压的增加,镀银纱线平衡温度升高,当输出电压为7V时,镀银纱线在织物中实测温度可达109.7℃。设定镀银纱线间距为3mm,使镀银纱线在较低成本下获得较高的表面温度均匀性。加热织物的升温速度和平衡温度随着功率密度的增加而增加,模拟结果与实测结果趋势一致且结果偏差小于4.5%,说明有限元分析结果能够作为镀银纱线加热织物制备的重要参考依据。
传统的电子应变传感器大多基于金属和半导体材料,其柔韧性和可穿戴特性较差。随着柔性电子材料的发展,可穿戴式柔性应变传感器呈现出巨大的市场前景。由于其具有生物相容性好同时兼具可穿戴性、高弹性和可拉伸性等特点逐渐成为研究热点。本文对近些年基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)的压阻式和电容式柔性传感器的先进制备技术、性能及应用方面的研究进展进行了综述。最后对可穿戴式柔性传感器所面临的挑战做了简单讨论,并对其未来的发展方向进行了展望。
由纳米纤维素制备的纳米纸具有天然可降解、质量轻、柔性好、透明度高、强度高、热稳定性好以及可卷对卷生产等优良特性,被视为柔性电子器件衬底的理想材料之一。近年来,人类社会对电子垃圾引起的环境问题逐渐重视,使得绿色纳米纸衬底成为学术界和工业界的研究热点之一。本文综述了用于柔性电子器件的纳米纸衬底的最新研究进展,详细探讨了纳米纸衬底的制备、性能及其在器件应用方面的研究成果,着重阐述了纳米纸衬底在有机薄膜晶体管、太阳能电池以及有机发光二极管中的应用现状。最后,进一步总结了现阶段纳米纸衬底在器件应用过程中存在的问题,如纳米纸制备效率低、对纳米纸进行性能调控和优化以满足电子器件的要求等,并对未来应用前景进行了展望。
利用挤出式3D打印技术制备纺织物结构的自支撑柔性锂离子电池电极的新方法,并采用高浓度的聚偏氟乙烯(PVDF)作为黏度调节剂、碳纳米管(CNT)作为导电剂、磷酸铁锂或钛酸锂作为电极活性材料,配制了具有可打印性的"墨水",其表观黏度接近105Pa·s,该"墨水"表现出明显的剪切变稀行为,同时存储模量平台值也高达105Pa,其优异的流变学性质对于打印和固化过程十分有利。电化学测试结果表明,两种打印电极具有稳定且十分匹配的充放电比容量,因此由二者组装的软包袋装全电池也具有高达~108mAh·g-1的放电比容量(50mA·g-1),弯曲后,在同样的电流密度下其放电比容量约为111mAh·g-1。
以CNFs膜为基材,采用层层自组装法制备CNFs/RGOn膜,通过原位聚合法在膜表面聚合PANI,制备复合导电CRGP膜电极并组成超级电容器S-RGP.研究采用 UV-vis光谱、XRD、SEM等对CRGP膜的吸光度、结晶特性与形态进行测试表征,同时系统测试了S-RGPCV曲线、GCD、EIS等电化学性能.结果表明:原位聚合法得到CRGP膜表面不均匀,PANI层与基材间存在间隙,存有活性物质,导致S-RGP内阻较小;S-RGP的ESR低、柔性良好;由于原位聚合的PANI层较厚,电容器S-RGP具有一定的电致变色特征.