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青岛大学在柔性可穿戴器件方面取得重大进展

:2022-07-18 :赞晨科技 :9874296

柔性电子器件因其在弯曲、扭曲、折叠、拉伸等条件下仍能保持稳定的电气性能而成为科学研究的热点之一。柔性电子器件与常规硬质器件相比,广泛应用于柔性传感器、可穿戴设备、能源存储、植入医疗等领域。类似于高导热复合纳米材料,柔性电子设备的制备主要是通过导电纳米材料 (如纳米线、纳米管、石墨烯等。)与柔性聚合物基体复合获得。然而,在设备反复变形的过程中,导电纳米材料之间的较大接触电阻和纳米材料与聚合物基体之间的不良接触会在柔性电子设备中积累大量的热量。如果这些热量不能及时从设备中消散,必然会影响设备的性能和使用寿命,甚危及整个系统的安全。也就是说,对于柔性电子设备来说,稳定的热学性能同样重要,除了优异的机械性能和电学性能。虽然目前的导热绝缘复合材料本身具有一定的灵活性,但应用于LED常规硬质电子器件的热管理,但其在柔性电子器件领域的应用研究却很少。探寻恰当的热管理材料与结构,并应用于柔性电子器件领域,对其机理展开深入研究,对于新一代柔性可穿戴电子器件的发展显得尤为重要。


  近日,青岛大学物理科学学院副教授孙斌与上海交通大学黄兴义教授、上海大学张统一院士合作开发了一种柔性可穿戴应变传感器,具有高效的热管理能力,用于监测和分析青岛大学龙舟运动员的日常训练动作。相关工作A high perfor ** ncewearable strain sensor with advanced ther ** l  ** nagement for motion monitoring”发表在《Nature Communications》上。第 一作者是2020年青岛大学物理学硕士谭岑孝、副教授孙斌、黄兴义教授、张统一院士。


   柔性可穿戴应变传感器结构及实物图


  由石墨烯纳米带制成的柔性可穿戴传感器的独特结构设计(GNRs)当设备变形时,电阻信号发生变化,可用于实时监测人体运动;导热层由热塑性聚氨酯弹性氮化硼纳米片(TPU-BNNS)膜构成,可将器件使用过程中产生的热量快速实时传导到空气中;热绝缘层(TPU纤维膜)能有效防止热量在器件和人体皮肤界面积累,保证人体安全。同时,TPU纤维膜的多孔结构也保证了皮肤的透气性。


   (a) TPU-BNNS导热层和传感器的导热系数 (b) 不同BNNSs传感器样品饱和工作温度比较高 (c) 传感器经受30多个反复拉伸(100 %变形 (d) 在拉伸-恢复过程中BNNSs导热通面积的变化导致导热通道的变化


  研究人员发现,无论是否TPU-BNNSs膜或传感器的导热系数会随之而来BNNSs含量增加,但由于传感器含有疏松TPU电纺纤维层的导热系数不如同质量BNNSs的TPU-BNNSs膜,但含有35%BNNSs传感器样品的导热系数仍然相对纯TPU密膜封装样品增加242%,这也导致前者饱和工作温度比后者下降32%。此外,研究人员还观察了传感器在0-100%应变范围内的饱和工作温度,其饱和温度在30个周期内发生变化.5 °C热稳定性高。其原因在于TPU-BNNSs膜中的BNNSs虽然拉伸过程中的一部分是相互搭联形成导热通路的BNNSs接触面积变小,导致温度略有升高,但大部分恢复变形后BNNSs回到原来的位置,修复了导热通道。

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   龙舟队员训练时动作监测分析应变传感器


  龙舟比赛是中国的传统体育项目。在龙舟比赛中,龙舟运动员以肩膀为轴,通过上肢划桨,驱动龙舟快速前进。因此,龙舟运动员的伤病主要发生在上肢,包括肩膀、肘部、手腕等关节,其中大部分是由疲劳引起的。考虑到疲劳时容易发生动作变形,研究人员在青岛大学女子龙舟队(2019年中国龙舟比赛决赛第三名)的日常训练动作监测中使用了应变传感器。传感器分别固定在运动员的肩膀、手腕和肘部。结果表明,当运动员体力充沛时,肩部固定的传感器信号显示两个峰值,分别对应肩部的拉伸和关节的旋转;当运动员感到疲劳时,肩关节的旋转信号减弱甚完全消失,只有机械拉伸活动。相反,手腕上的传感器信号显示,疲劳的运动员会不由自主地弯曲手腕,以获得足够的力量来推动叶片。此外,无论是肩膀、手腕还是肘部,当运动员体力不足时,传感器信号的输出强度都小于体力充沛。


   细胞增殖实验证明了柔性可穿戴应变传感器的安全性


  对于可穿戴电子设备,设备的安全非常重要,即设备本身不能对人体造成任何安全风险。在这个传感器中,导热层和热绝缘层都是由TPU因此,两层材料具有良好的互溶性,可以GNRs和BNNSs将其牢牢地限制在设备中,以避免因纳米材料而造成的毒性对人体细胞的损伤。


  这项工作有望为柔性可穿戴器件的制备提供新的思路。


   来源:青岛大学柔性电子创新中心


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