近日，东华大学材料科学与工程学院先进功能材料课题组（AFMG）在可穿戴能源领域取得新进展，相关研究成果以《具有湿热稳定性和舒适性的摩擦/铁电协同电子织物材料》(“All-fiber tribo-ferroelectric synergisticelectronics with high thermal-moisture stability and comfortability”)为题发表于国际知名学术期刊《自然•通讯》(Nature Communications)。东华大学系论文唯一完成单位，东华大学材料科学与工程学院长学制博士研究生杨伟峰和龚维为共同第一作者。该成果主要内容介绍如下：

1.  “能源衣”的兴起   

随着可穿戴电子设备的蓬勃兴起，人们对随身能源的需求逐渐增大，基于织物的能源器件引起了人们极大的兴趣。然而，人体皮肤表面的湿热微环境，尤其在出汗状态下，会明显降低电学织物的性能。此外，这些随身设备的透气、透湿及可水洗性也逐渐成为研究者关注的焦点。鉴于此，研究团队以“全纤维”为设计原则，开发了一种具有湿热稳定性和舒适性的摩擦/铁电协同电子织物材料。

2.  纳米纤维的能量收集   

在本工作中，研究人员利用静电纺丝技术制备了铁电聚合物(P(VDF-TrFE))和聚酰胺6(PA6)两种纳米纤维作为发电功能材料。通过这两种材料在接触分离时表面的电荷转移效应与P(VDF-TrFE)介质层的铁电极化效应相互作用，实现了摩擦/铁电协同电学增强。这种电子织物材料在低频外力作用下可产生5.2 W m^-2的峰值功率密度。

（a）和（b）电子织物材料的实物和结构示意图；（c）P(VDF-TrFE)纳米纤维铁电体的电滞回线；（d）摩擦/铁电协同模型示意图

3. 能源织物的舒适性评价   

研究人员利用亲水聚丙烯腈(PAN)和聚酰胺6微/纳米纤维和疏水棉织物构筑了额外的吸湿排汗层。由于不同直径的亲水纤维网络相互叠加和高的纤维比表面积，有效促进了对汗液的吸收和扩散，明显提高了电子织物材料的水分蒸发速率；疏水棉织物的阻隔效应能防止多余的汗液扩散至发电功能层，从而降低了液态水对织物发电性能的影响。基于全纤维的设计理念，保证了织物材料优良的透气和透湿性能，其较低的干态热阻和蒸发阻有利于维持人体舒适的体表微环境。

             （a）电子织物材料的透气、透湿及吸湿排汗功能示意图；（b）和（c）亲水纤维的多级网络结构及直径分布

4. 面向不同场景的能源新织物   

此外，研究人员还演示了电子织物在弯折、抖动时驱动液晶显示器、数字化发光点阵、电子手表，以及为锂电池充电、驱动蓝牙信号传输系统、实时捕捉足部姿态等应用。

弯折电子纺织品驱动 LCD

电子纺织品驱动数字化发光点阵

电子纺织品驱动可穿戴电子手表

该研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金、东华大学励志计划和东华大学研究生创新基金等资金的大力资助。

 

论文全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-13569-5

                                         撰稿：杨伟峰    编辑：李萌

图片来源：Nature Communications