单向碳纤维强化的柔性压电纳米复合材料的原理、结构设计及应用

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。”

审核编辑：刘清