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空軍軍醫大學白永康/桂林理工李裕琪 CEJ：在多響應形狀記憶驅動和自供電傳感集成化材料方面取得新進展

2023-11-06 來源：高分子科技

受自然界啟發，能夠響應環境刺激的智能軟材料因其在軟機器人、生物醫學設備、人機交互、可穿戴電子和航空航天等各個領域的巨大應用潛力而受到廣泛關注。然而，目前大多數研究主要集中在單一的傳感或驅動功能上，難以滿足實際應用對材料多功能性的需求。材料的集成化和多功能化是解決這一問題的有效途徑，已成為功能材料發展的重要方向。

近期，空軍軍醫大學白永康副教授和桂林理工大學李裕琪教授合作，采用模板法制備了一種集多響應形狀記憶驅動和自供電傳感功能于一體的多孔復合材料。作為驅動器應用，該多孔材料具有優異的熱、光及水響應形狀記憶性能。作為傳感器應用，通過構筑多孔材料基摩擦納米發電機（PTENG），使其既可以用作檢測人體運動的壓力傳感器，又可用作濕度傳感器。此外，PTENG的輸出性能可以利用多孔復合材料的形狀記憶性能進行調整，而PTENG的自供電傳感功能可以對驅動器的形狀驅動過程進行自我監測。相關工作以“Multi-responsive shape memory porous composites for self-powered sensors and self-sensing actuators”為題在《Chemical Engineering Journal》期刊發表。該工作得了到國家自然科學基金和廣西省自然科學基金等項目的資助。

圖1 PVA/MWCNT多孔復合材料的制備示意圖

該工作通過將PVA與甲基丙烯酸異氰酸乙酯（IEM）和聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）交聯制備了一系列多孔材料，研究了PVA多孔復合材料材料作為軟驅動器的多響應形狀記憶性能，揭示了其作為軟驅動器的應用前景。基于形狀記憶聚合物的熱熵彈性恢復，PVA多孔復合材料可以表現出優異的熱和近紅外光致形狀記憶性能，其形狀固定率和形狀回復率均可達94%以上。基于此，研究進一步展示了該多孔復合材料作為光響應致動器的潛在應用。

圖2 PTENG的應用

為了實現多孔材料在自供電傳感器中的應用，利用多孔材料和靜電紡絲聚偏氟乙烯納米纖維構筑了接觸分離式摩擦納米發電機（PTENG），探究了不同交聯劑含量和不同填料含量以及不同拍打頻率下對輸出的影響。結果表明所構筑的PTENG的最大輸出功率密度可達4.57 W m^-2，并進一步探索了該PTENG在壓力傳感器以及濕度傳感器中的潛在應用。

圖3形狀記憶調控TENG輸出及示意圖

進一步考察了多孔復合材料形狀記憶性能和自供電傳感功能的相互作用。基于PTENG的工作原理，其輸出性能與多孔材料界面和內部孔隙的有效接觸面積密切相關，這為利用形狀記憶性能調控其PTENG輸出性能提供了可能。通過對PVA多孔材料不同方向及程度的壓縮，可以任意調控PTENG的輸出性能。然后通過兩個形狀記憶驅動器驗證了形狀記憶多孔復合材料的自供電傳感功能。首先，基于PTENG結構以壓縮的多孔材料設計了一種形狀記憶驅動器。在沒有近紅外光刺激的情況下，驅動器沒有表現出形狀變化，因此兩個接觸面沒有改變，也沒有產生輸出電壓。而當施加近紅外光時，隨著多孔結構的恢復，壓縮樣品逐漸恢復到原來的形狀，從而產生電壓信號并同步增加。電壓隨著高度或形狀回復率的增加而相應增加，表明形狀記憶驅動器具有自感應功能。同時設計了基于彎曲樣品的自感應驅動器，證實了形狀記憶執行器的自感應功能。與其他基于電阻變化的驅動器傳感相比，這種自供電傳感功能將大大擴展材料的應用前景。

圖4 兩種自感應形狀記憶驅動器

圖5 光控開關及自感應功能

綜上所述，該研究報道了一種多功能PVA/MWCNT多孔復合材料，具有多響應形狀記憶驅動和自供電傳感功能。基于MWCNT的光熱轉換效應以及親水PVA材料，多孔復合材料表現出優異的熱、近紅外光和水響應形狀記憶性能。利用多孔材料和PVDF納米纖維膜構筑了一系列PTENG，可用于自供電壓力傳感器以檢測人體運動的監控，還可作為濕度傳感器對濕度進行監測。此外，改材料憑借形狀記憶效應可以很容易地調節PTENG的輸出性能，而形狀記憶驅動器的自感知功能則可以通過PTENG的自供電感應功能來實現。本工作提出了一種新的“材料-功能”方法，用于制造具有多響應驅動和自供電傳感特性的多功能材料，在軟體機器人、人機交互、自供電設備等領域顯示出廣闊的應用前景。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472305790X?dgcid=author

下載：Multi-responsive shape memory porous composites for self-powered sensors and self-sensing actuators

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（責任編輯：xu）

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