基于磁电纤维/纱线/织物的可穿戴力-电转换器件的制备及应用

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能源问题长期以来一直是各界关注的焦点。随着新技术的不断发展,智能可穿戴产品在外观和性能等各方面的要求不断提高,对配套供能设备的需求也越来越高,因此研发相匹配的柔性自供能传感器件就成为了学术界的研究热点之一。如果能开发出一种新型的柔性可穿戴体系,将人体运动时产生的机械能转换为电能并加以利用,那么就能将人体本身变成稳定的能源供应体系,从而就能有效地为可穿戴设备进行供能。基于电磁感应原理,磁电式发电机能有效地将机械能转换为动能,然而目前这种发电机所采用的导电线圈和磁性物质基本均为硬质材料,且质量较重,因此难以朝着柔性化供能方向大规模应用。为了解决磁电式发电机柔性化和轻量化这两个关键性的问题,本文以磁电材料作为研究对象,以制备柔性磁电自供能传感器件为目标,从柔性磁电纤维开始研究,将现代纺织技术引入到实验研究当中,逐步制备出柔性磁电纱线及织物,并以这些纺织成品作为基础,制得了磁电发电衣物。本文的主要研究内容包括以下四部分:(1)将磁性粉末与纤维制备技术相结合,采用液态纺丝法制得了一种柔性磁性纤维。这种磁性纤维将电磁感应特性与柔性纤维的特点合二为一,解决了磁电式发电机中磁性物质的柔性化问题。本文对这种柔性磁性纤维进行了力学测试和磁感应强度的测量,测试结果表明这种磁性纤维既具有较好的可弯曲柔性、拉伸性和弹性等力学性能,同时还具有稳定的磁场强度。磁电纤维在进行5000次往复拉伸后仍能产生稳定的输出电压,说明其具有良好的长循环稳定性。这种柔性磁电纤维适应范围广,可作为自供能传感器件在可穿戴设备领域得到应用。(2)在上一章节的基础上,利用液态金属制备柔性导线并替代金属铜线,从而制得了一种全柔性的磁电纤维。这种磁电纤维在保留了原有纤维样品优点的基础上,将液态金属线完整均匀地缠绕在磁性纤维表面且与纤维结合为一体,具有更加柔软、舒适的物理特性,同时保持了稳定的缠绕结构。这种磁电纤维具有更好的弹性和拉伸性等力学性能,以及稳定的磁学性能和电学性能。磁电纤维中钕铁硼磁粉占纤维的总质量比为70%,拉伸形变量为50%,拉伸速率为50 mm/s,液态金属线缠绕匝数为20匝、纤维直径为4 mm,在此最优测试条件下能够产生最高为10.7μV的输出电压。(3)以钕铁硼磁粉为原料,采用现代纺纱技术制得了一种柔性磁性纱线。通过采用颗粒纺丝方法,不但可以制得磁粉质量比高达96%的磁性纱线。而且还能够大规模生产。这种磁性纱线内部结构均匀,具有良好的力学和磁学性能,同时也能做成单股或多股等多种形态。随后本文在磁性纱线表面缠绕铜线圈制得柔性磁电纱线,且这种磁电纱线在往复拉伸过程中就能产生感应电压,因此具有力-电转换性能,并且在不同的测试条件下电学输出性能会呈现出规律性的变化。这种柔性自供能体系融合了磁电纱线与现代纺织技术的优势,制备简便、可大规模生产,具有良好的力学、磁学和电学性能,有望成为未来可穿戴传感器件的新选择。(4)在上一章节制备柔性磁电纱线的基础上,利用现代工业织布技术制得了一种柔性磁性织物,并以此制得了一件可作为供能器件的磁电式发电衣物。依靠成熟的纺织技术,这种柔性磁性织物可以大规模生产,为以后的商业化奠定了基础。对磁性织物进行的透气测试以及水洗实验等测试结果表明,柔性磁性织物不仅易于折叠,同时还具有透气性较好、耐水洗等优势,表现出了纺织品所具有的良好属性。不仅如此,这种磁性织物在酸碱或高低温等极端环境下也能基本保持原有的电学性能,因此具有较强的耐用性。本文用面积为5×30 cm~2的磁性织物和匝数为1000匝的闭合线圈作为磁电部分,并将其缝制在一件夹克成衣上,制得了一件磁电式发电衣物。当测试者进行不断的往复摆臂运动时,在外接负载只有750欧的条件下该发电衣物能够产生14.3 V的峰值电压和31.2 m A的峰值电流,输出功率密度达到3197.7 m W/m~2。
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