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

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?？沙掷m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?！?/p>

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?！?/p>

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。

內串聯雙壓電晶片型結構示意圖

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。

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。

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?！?/p>

審核編輯：劉清