生物质纤维基柔性电子器件的制备及应用研究
柔性电子器件具有良好的柔性、可延展性等优点，能够满足人体或其他不规则表面对设备形变的要求，目前已广泛应用于信息技术、医疗健康等领域。目前柔性电子设备仍存在功能性导电结构构建困难和透气性差的问题。纤维纺织品具有良好的柔性、透气性、可加工性和结构灵活等特点，是制备柔性电子器件的良好材料。灯心草作为一种木质纤维素纤维，由于内部具有丰富的立体网状结构，使其在纤维基柔性电子器件的构建上具有一定优势。本文基于天然灯心草纤维的三维多孔结构，利用其内部特殊结构，通过负载不同功能性物质，分别制备了具有焦耳热及运动传感、摩擦电效应以及磁电效应能量收集功能的灯心草基柔性电子器件，实现了灯心草纤维在能量收集和柔性传感领域的应用。主要研究成果如下: 以灯心草纤维内部网状结构为骨架，构建复合多功能导电网络，并充分利用其与石墨烯/聚吡咯间良好的协同作用，制备了具备良好的焦耳热性能和运动传感能力的导电灯心草纤维。系统研究了负载不同导电功能性物质后灯心草纤维的微观结构、导电网络分布和导电性能，并探究其对焦耳热及运动传感性能的影响和机理。其中石墨烯/聚吡咯灯心草纤维具有良好的焦耳热性能以及运动传感能力，能在10V电压驱动下迅速升温至147.2℃并保持稳定，将其织造成织物，在3V电压驱动下迅速升温，能够有效改善人体腕部血液循环;同时该导电纤维的传感系数最高能够达到11.36,且在10％-100％应变范围内均具有良好的稳定性和灵敏性，且经过500次循环拉伸后仍能保持稳定。因此，石墨烯/聚吡咯灯心草纤维具有良好的焦耳热性能的同时还能够有效感知并识别人类肢体常见的运动。 采用灯心草纤维作为摩擦发电机的电极材料，利用其多尺度微观结构以及易于加工的性质，设计了一种接触分离式摩擦电效应能量收集器，实现了机械能-电能的稳定转换。探究了灯心草纤维及粉末不同形态下的微观形貌和化学组成，系统分析了灯心草纤维结构对摩擦电性能的影响，探讨了在不同频率下灯心草基摩擦电效应能量收集器的能量收集及输出性能。研究结果表明，灯心草粉末摩擦电极具有最佳的能量收集效果，能够在5Hz频率下产生43.2V开路电压和1.9μA电流，负载电阻为40MΩ时，最大输出功率密度为79mW/m2,并且能够通过不同容量的电容实现能量存储。 将灯心草纤维与磁性聚氨酯相结合，构筑高负载的纤维磁性网络，通过编织工艺制备了磁电式能量收集织物，通过简易运动实现了高效稳定的能量转换。系统探究了灯心草纤维的微观结构、磁性粒子含量、负载方法以及聚合物比例对纤维磁性的影响,分析了人体不同运动模式与磁性灯心草织物发电性能的关系，阐述了磁电式能量收集织物的机械能-电能转换机理。研究结果表明，磁性灯心草纤维的磁场强度最高可达24.6mT,编织的磁电式能量收集织物通过摆臂运动能够实现2V的开路电压和3mA的短路电流输出。当负载电阻为500Ω时，磁性灯心草织物的输出功率最大可达10mW,能够实现对小型电子设备的稳定驱动。
生物质纤维;柔性电子器件;运动传感;能量收集
武汉纺织大学
硕士
材料与化工
夏良君
2023
中文
TN05
2023-08-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）