【摘 要】
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目前,随着时尚、轻薄的柔性可穿戴设备的日益普及推广,人们对器件的抗拉伸性、耐弯曲性、可穿戴性等提出了更高的要求。与此同时,伴随设备功能丰富,电源的续航能力不足等问题日益
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目前,随着时尚、轻薄的柔性可穿戴设备的日益普及推广,人们对器件的抗拉伸性、耐弯曲性、可穿戴性等提出了更高的要求。与此同时,伴随设备功能丰富,电源的续航能力不足等问题日益突出。传统刚性平板结构的电源,存在体积大、质量重、不易穿戴等问题,严重阻碍了可穿戴设备朝轻型化、微型化、集成化方向发展。近年来,纤维结构能量采储器件的开发与运用,为解决以上问题提供了一条新思路,但单根采储器件能量输出较小,且以往的纤维器件模块集成方式,如多层叠加、刺绣等,在制备、封装时效率低下,易导致器件磨损。研究需要发展出新的纤维能量采储器件编织集成技术,推动其在可穿戴领域的应用。 基于此,本文研究在传统飞梭技术基础上,开发了新的器件编织集成装置,进而研制出了新型织物结构摩擦纳米发电机(TENG),并将其与全固态纤维染料敏化太阳能电池(DSSC)进行混合编织,实现了一种可以同时采集机械能与光能的新型能源织物。本文研究内容主要包括以下几点: ①研究通过电化学方法制备了锰基复合纤维,并在其上生长纳米ZnO阵列制备了全固态纤维DSSC光阳极,进而成功利用飞梭技术织造了新型光伏织物。结果发现,金属锰层以及半导体ZnO纳米层的形貌结构是影响DSSC性能的重要因素;当电压=3.1V、pH=7.5且[Zn2+]=0.03M时,所得全固态纤维状DSSC的性能最佳;通过对织纹结构以及电气匹配连接等的优化后,编织型结构比缠绕型结构DSSC光电效率提高了21%。 ②研究在聚四氟乙烯纤维上镀铜,并利用飞梭织造技术将其与铜丝或镀铜导电复合纤维组合,构建了能够采集机械能的摩擦纳米发电织物。结果发现,织纹结构、串并联方式对摩擦纳米发电织物性能有显著影响;在拍打、弯曲、扭曲等工作模式下器件均能正常工作;面积为2cm×2cm平纹结构的发电织物在拍打模式下,瞬时短路电流达~35μA,瞬时开路电压达~300V。 ③研究进一步采用飞梭编织技术成功将光伏织物与摩擦纳米发电织物进行混合编织,制备出能够同时采集光能以及机械能的新型单层全固态复合电源织物。面积为4cm×5cm、厚度为320μm的混合电源织物,在标准光强以及模拟机械运动驱使下,能够提供4V以上的开路电压,并且能够快速的为2mF电容器充电,还可以在自然光条件下直接驱动手表等小型电子设备。机械能采集有效弥补了光伏电池在暗光条件下输出的局限,从而大大提高了对可穿戴设备的持续供电能力。 该技术在检测、安全、健康、能源、军事等领域具有广泛的应用发展前景,得到学术界和产业界的关注。
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