展示柜货号:未知 王双飞院士团队《AFM》:芳纶摩擦电气凝胶!
随着航空航天、国防工业凯发k8国际娱乐官网入口凯发k8国际娱乐官网入口凯发k8国际娱乐官网入口、能源开发等关键行业的不断发展凯发k8国际娱乐官网入口,亟需开发能够在极端环境下稳定工作的传感器。然而,高温环境通常会导致传感材料的性能下降并诱发灾难性事故凯发k8国际娱乐官网入口。芳纶特种纸纤维具有极高热稳定性和优异的绝缘性,被认为是柔性可穿戴传感材料的有效选项凯发k8国际娱乐官网入口凯发k8国际娱乐官网入口。基于芳纶纳米纤维构筑具有定制结构的摩擦电材料为实现高温环境下的稳定传感提供了思路凯发k8国际娱乐官网入口。
近日,王双飞院士团队通过原位耦合磁对准和质子化还原的策略构筑了一种可控各向异性结构的芳纶摩擦电气凝胶凯发k8国际娱乐官网入口凯发k8国际娱乐官网入口。该气凝胶取向结构的拟合度最高达到98%凯发k8国际娱乐官网入口凯发k8国际娱乐官网入口,合理的取向结构使气凝胶在300°C时表面电荷密度达到75 μC m-2。芳纶纤维的高温热稳定性与自供电传感的结合为设计耐高温的多功能可穿戴传感器提供了参考。这项成果以题为《Tunable Anisotropic Structural Aramid Triboelectric Aerogels Enabled by Magnetic Manipulation》发表在《Advanced Functional Materials》上。
图1:各向异性结构摩擦电气凝胶的制备及功能设计示意图凯发k8国际娱乐官网入口。a) ANF/CNT@Ni分散液的磁对准示意图。b) 气凝胶的制备过程。c)摩擦电荷存储机制示意图。d) 气凝胶的热稳定性和可穿戴触觉传感器装置凯发k8国际娱乐官网入口。
图2:ANF/CNT@Ni的磁分析和表征凯发k8国际娱乐官网入口。a)磁对准装置示意图。b) CNT@Ni在均匀磁场中的磁力矩。c) CNT@Ni的磁滞回线。d)将磁铁放置在一侧时悬浮液的光学图像凯发k8国际娱乐官网入口凯发k8国际娱乐官网入口。
图3:ANF/CNT@Ni的磁对准行为。 a)亮暗模式实验装置示意图。b,c) i:CNT@Ni在X-Y平面和X-Z平面上的旋转示意图凯发k8国际娱乐官网入口,ii:亮暗模式的光学照片(比例尺:10 mm),iii:光学显微镜图像(比例尺:20 μm)凯发k8国际娱乐官网入口。d,e)不同初始角度下的磁力矩和磁对准过程的模拟凯发k8国际娱乐官网入口。
图4.取向气凝胶在高温下的性能演示。a-c)角度分别为 0°、45° 和 90° 的 ANF/CNT@Ni 的横截面显微镜图像(比例尺:200 μm)凯发k8国际娱乐官网入口凯发k8国际娱乐官网入口。d) ANF静电势分布和面积占比凯发k8国际娱乐官网入口凯发k8国际娱乐官网入口凯发k8国际娱乐官网入口。e) ANF/图谱。f)气凝胶的开路电压比较凯发k8国际娱乐官网入口。g)不同温度下摩擦电材料表面电势的衰减凯发k8国际娱乐官网入口凯发k8国际娱乐官网入口。h)与文献报道的耐高温摩擦电材料的对比。i)高温下的电子云势阱模型。
图5.气凝胶的高温传感性能。a)高温摩擦电性能测试装置。b凯发k8国际娱乐官网入口凯发k8国际娱乐官网入口,c) ANF/CNT@Ni在不同温度下的开路电压和转移电荷凯发k8国际娱乐官网入口凯发k8国际娱乐官网入口凯发k8国际娱乐官网入口。d)开路电压的重复性和可逆性凯发k8国际娱乐官网入口。e)冷却过程中开路电压的实时曲线凯发k8国际娱乐官网入口。f)不同温度下的响应时间凯发k8国际娱乐官网入口。g)高温触觉传感的稳定性。
图6.可穿戴式自供电触觉传感。a)高温触觉传感器示意图凯发k8国际娱乐官网入口。b)在不同温度下接触物体时传感响应。c)传感信号的单峰分析凯发k8国际娱乐官网入口。d)梯度温度快速响应试验凯发k8国际娱乐官网入口。e)不同手势下触觉阵列的关联图凯发k8国际娱乐官网入口。
综上所述,本研究提出了一种通过磁对准策略制备具有可控各向异性结构的芳纶摩擦电气凝胶。本研究分析了CNT@Ni在均匀磁场中的对准行为凯发k8国际娱乐官网入口,以实现对气凝胶各向异性结构的精确控制凯发k8国际娱乐官网入口。设计的取向使气凝胶表现出出色的电荷存储能力和高热电荷稳定性凯发k8国际娱乐官网入口。摩擦电气凝胶突破了温度限制,在300°C下实现了自供电的触觉传感凯发k8国际娱乐官网入口凯发k8国际娱乐官网入口凯发k8国际娱乐官网入口凯发k8国际娱乐官网入口。可穿戴温度触觉传感器的可扩展性已经得到验证,有望应用于高温场景下的人形机器人和太空探索飞行器。