廣西大學(xué)王雙飛院士團(tuán)隊(duì)段青山課題組 Adv. Funct. Mater.：可控各向異性結(jié)構(gòu)的摩擦電氣凝膠
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隨著航空航天、國(guó)防工業(yè)、能源開發(fā)等關(guān)鍵行業(yè)的不斷發(fā)展，亟需開發(fā)能夠在極端環(huán)境下穩(wěn)定工作的傳感器。然而，高溫環(huán)境通常會(huì)導(dǎo)致傳感材料的性能下降并誘發(fā)災(zāi)難性事故。芳綸特種紙纖維具有極高熱穩(wěn)定性和優(yōu)異的絕緣性，被認(rèn)為是柔性可穿戴傳感材料的有效選項(xiàng)?；诜季]纖維構(gòu)筑具有定制結(jié)構(gòu)的摩擦電材料為實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境下的穩(wěn)定傳感提供了思路。
近日，王雙飛院士團(tuán)隊(duì)通過原位耦合磁對(duì)準(zhǔn)和質(zhì)子化還原的策略構(gòu)筑了一種可控各向異性結(jié)構(gòu)的芳綸摩擦電氣凝膠。該氣凝膠取向結(jié)構(gòu)的擬合度最高達(dá)到98%，合理的取向結(jié)構(gòu)使氣凝膠在300°C時(shí)表面電荷密度達(dá)到75 μC m-2。芳綸纖維的高溫?zé)岱€(wěn)定性與自供電傳感的結(jié)合為設(shè)計(jì)耐高溫的多功能可穿戴傳感器提供了參考。這項(xiàng)成果以題為《Tunable Anisotropic Structural Aramid Triboelectric Aerogels Enabled by Magnetic Manipulation》發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。
1.可控各向異性結(jié)構(gòu)的摩擦電氣凝膠設(shè)計(jì)策略
復(fù)合材料的性能和功能很大程度上取決于其材料組成和微觀結(jié)構(gòu)。受此啟發(fā)，我們通過原位耦合磁對(duì)準(zhǔn)和質(zhì)子化還原過程構(gòu)筑了可控各向異性的摩擦電氣凝膠。該氣凝膠的構(gòu)建主要包含前驅(qū)體合成、磁對(duì)準(zhǔn)CNT@Ni（磁性碳納米管）以及芳綸納米纖維（ANF）的質(zhì)子化還原等三個(gè)過程。首先，去質(zhì)子化的芳綸納米纖維分散液與合成的CNT@Ni組成復(fù)合前驅(qū)體。其次，在磁對(duì)準(zhǔn)過程中復(fù)合前驅(qū)體中的CNT@Ni受磁扭矩的作用克服分散液的阻力開始轉(zhuǎn)向，直至CNT@Ni的軸向與磁場(chǎng)平行時(shí)停止。最后，芳綸納米纖維發(fā)生質(zhì)子化還原并重新生成新的氫鍵，最終形成互連的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以鎖定CNT@Ni的取向。
2. ANF/CNT@Ni的取向控制
分析了CNT@Ni在磁場(chǎng)下的受力和磁對(duì)準(zhǔn)行為。對(duì)CNT@Ni的磁性能進(jìn)行表征和分析，有利于精準(zhǔn)調(diào)控ANF/CNT@Ni氣凝膠的取向結(jié)構(gòu)。控制兩塊相對(duì)的永磁體與ANF/CNT@Ni分散液的夾角設(shè)置了不同角度的勻強(qiáng)磁場(chǎng)（20 mT）。當(dāng)ANF/CNT@Ni分散液置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)H中時(shí)，在外磁場(chǎng)的誘導(dǎo)下CNT@Ni內(nèi)部磁疇將有序排列產(chǎn)生磁矩。在磁矩的作用下，CNT@Ni開始發(fā)生偏轉(zhuǎn)直至與磁場(chǎng)方向平行以保持最低的磁勢(shì)能。
通過CNT@Ni對(duì)光反射產(chǎn)生的亮暗模式來識(shí)別CNT@Ni的取向狀態(tài)。同時(shí)利用顯微鏡觀察了在外加磁場(chǎng)作用下CNT@Ni的磁對(duì)準(zhǔn)行為。上述結(jié)果共同證明磁誘導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)策略能夠?qū)NT@Ni的三維取向進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。
3.取向氣凝膠的高熱電荷穩(wěn)定性
展示了各向異性結(jié)構(gòu)對(duì)氣凝膠熱電荷穩(wěn)定性的影響。我們通過摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）研究了高溫下材料表面靜電勢(shì)的動(dòng)態(tài)變化。各向異性的CNT@Ni 的氣凝膠表現(xiàn)出更優(yōu)異的摩擦電性能，這是由于平行取向的CNT@Ni增加了電荷的存儲(chǔ)位點(diǎn)。此外，所設(shè)計(jì)的各向異性結(jié)構(gòu)不僅有利于電荷的深入，還可充當(dāng)電子屏障有效地抑制高溫對(duì)電荷儲(chǔ)存的有害影響。
4.摩擦電氣凝膠高溫傳感及應(yīng)用
具有各向異性結(jié)構(gòu)的氣凝膠顯示出卓越的線性靈敏度和傳感信號(hào)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性，被認(rèn)為是高溫下可穿戴自供電觸覺傳感的理想候選材料。將激光切割的各向異性氣凝膠材料與電極等元件組裝成可穿戴溫度觸覺傳感器。將該傳感器安裝到隔熱的防護(hù)用具表面使其同時(shí)實(shí)現(xiàn)了防護(hù)和傳感功能。
該研究提出了一種通過磁對(duì)準(zhǔn)策略制備具有可控各向異性結(jié)構(gòu)的芳綸摩擦電氣凝膠。本研究分析了CNT@Ni在均勻磁場(chǎng)中的對(duì)準(zhǔn)行為，以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣凝膠各向異性結(jié)構(gòu)的精確控制。設(shè)計(jì)的取向使氣凝膠表現(xiàn)出出色的電荷存儲(chǔ)能力和高熱電荷穩(wěn)定性。摩擦電氣凝膠突破了溫度限制，在300°C下實(shí)現(xiàn)了自供電的觸覺傳感。