压电织物:将机械能转化为电能,为小型电子设备供电!

行业动态 加入时间:2018-3-27 9:42:18 访问量:88

近日,瑞典科学家开发出一种能将动能转化为电能的织物织物受到的负荷越大,变得越湿润,产生的电力也越多。


背景


压一下某种材料,就会产生电力?听上去有点不可思议,但这正是所谓的“压电效应”向我们所展示的。


 

(图片来源:维基百科)


压电效应piezoelectric effect,简单说,就是指对压电材料施加压力,便会使其产生电位差(正压电效应);反之施加电压,则产生机械应力(逆压电效应)。从能量角度说,在某些材料中,存在机械能与电能的互换现象。压电材料因机械形变产生电场,也可因电场作用产生机械形变。


一般来说,压电材料包括:骨头、蛋白质、DNA、陶瓷、塑料、织物等等。此类材料的应用范围非常广,例如:移动电话的谐振器和振动器、深海声纳、超声波成像等等。压电效应的主要用途之一就是发电,例如我们走路时踩踏产生的能量,甚至机械振动、噪音产生的能量都可以被采集起来转化为电能。


有关压电效应的创新案例之前多次介绍,下面带大家回顾一下几个经典案例:


1) 美国宾夕法尼亚州立大学研发出的新型换能器,可以采集人体低频运动的能量,为智能手机、可穿戴设备、平板电脑等电子设备供电。


 


 

(图片来源:Wang Lab/宾夕法尼亚州立大学)


2)美国范德堡大学开发的新型超薄能量采集系统,即使受到极低频率的人体运动所产生的弯曲或按压,也可以产生少量电力。


 

(图片来源于:John Russell / 范德堡大学)


 

3)爱尔兰利默里克大学(UL)伯纳尔学院的科学家观察到溶菌酶晶体(一种大量存在于禽类蛋清以及动物眼泪、唾液、牛奶中的蛋白质)能在受压时产生电力。


 

 

(图片来源:利默里克大学)


创新


近日,瑞典查尔姆斯理工大学(Chalmers University of Technology )的科研人员与位于布洛斯市(Borås )的瑞典纺织学院及研究机构 Swerea IVF 合作,开发出一种能将动能转化为电能的织物。织物受到的负荷越大,变得越湿润,产生的电力也越多。研究结果发表于“自然合作期刊”(Nature Partner journal)《柔性电子(Flexible Electronics)》。


 

(图片来源:Johan Bodell / 查尔姆斯理工大学


技术


查尔姆斯理工大学研究员 Anja Lund 和 Christian Müller 开发出一种在拉伸或者受到压力时能够发电的织物。目前,这种织物产生的电力足以点亮一盏LED灯、发送无线信号或者驱动小型电气单元,例如口袋计算机或者数字手表。


这项技术也是基于压电效应(piezoelectric effect),它会通过压电材料的形变,例如受到拉伸,产生电力。在这项研究中,研究人员通过将压电纱线导电纱线(用于传输生成的电流)编织到一起做成一种织物。


Lund 表示:“这种织物是柔软的,并且在潮湿时效率更高。为了论证研究成果,我们采用了单肩包肩带上的一片织物。包越重,含这种织物越多,那么我们能获取到的能量也越多。当包内装有3公斤书籍时,我们可以产生4毫瓦的连续输出,这足以间歇地为一盏LED灯供电。通过这种织物做成一个完整的包,我们能够获取到足够的能量来传送无线电信号。”


 

(图片来源:参考资料【2】)


压电纱线由24根纤维组成,每一根纤维都像一缕头发那样细。当纤维变得足够潮湿时,会在液体中变得封闭,且纱线会变得更加高效,因为这样改善了纤维之间的电气接触。这项技术是基于之前研究人员开发压电纤维的研究,现在他们进一步增加了尺寸。


 

(图片来源:参考资料【2】)


Lund 表示:“压电纤维由围绕着导电内核的压电外壳组成。这种压电纱线与商用的导电纱线结合组成一个串联电路。”在进行生产时,纤维暴露于强电场中,引起聚合物中的正负电荷以一种有序地方式分离。当织物被拉伸或者暴露于压力下时,纤维的形变将引起电荷分布的重组,从而产生电压。导电纱线形成电流可以在其中流动的闭合电路。


(图片来源:参考资料【2】)


研究人员之前对于压电织物的研究主要集中于传感器以及它们通过压力敏感性产生电信号的能力。 


价值


Lund 表示:“由压电纱线编织成的织物,使得这项技术更加容易理解,而且它可用于日常生活中。织物中也有可能添加更多的材料,或者使用它作为多层产品中的一层。这需要一些修改,但是是可行的。”


研究人员认为,这项技术从根本上说已经可用于大规模量产。现在主要是工业产品开发者要搞清楚如何利用这项技术。除了构成材料的先进技术外,成本相对较低,与Gore-Tex 的价格差不多。通过与瑞典纺织学院的合作,研究人员已经能过证明,纱线可以在工业织机中编织,并且有足够的耐磨性去应对量产的严苛条件。


 

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