Пьезопозиции с углеродными волокнами для датчиков движения

Принцип, структурный дизайн и применение однонаправленных углеродных волокно-армированных гибких пьезоэлектрических нанокомпозитных материалов.Кредит: Университет Тохоку

Международная исследовательская группа разработала новое высокопрочное гибкое устройство, объединив пьезоэлектрические композиты с однонаправленным углеродным волокном (UDCF), анизотропным материалом, который обеспечивает прочность только в направлении волокон.Новое устройство превращает кинетическую энергию из движения человека в электричество, обеспечивая эффективные и надежные средства для высокопрочных и самостоятельных датчиков.

Детали исследования группы были опубликованы в журнале Small 14 декабря 2023 года.

Движение движения включает в себя преобразование энергии из движения человека в измеримые электрические сигналы и это может иметь решающее значение для обеспечения устойчивого будущего.

«Повседневные предметы, от защитных передач до спортивного оборудования, подключены к Интернету как часть Интернета вещей (IoT), и многие из них оснащены датчиками, которые собирают данные»,-говорит Фумио Нарита, соавтор исследованияи профессор в Высшей школе экологических исследований Университета Тохоку.«И эффективная интеграция этих устройств IoT в личное снаряжение требует инновационных решений в области управления питанием и дизайна материала для обеспечения долговечности, гибкости».

Механическая энергия может быть использована благодаря способности пьезоэлектрических материалов генерировать электроэнергию при физическом стрессе.Между тем, углеродное волокно поддается применению в аэрокосмической и автомобильной промышленности, спортивном оборудовании и медицинском оборудовании из -за его долговечности и легкостью.

«Мы задавались вопросом, может ли личное защитное оборудование, производимое гибким, используя комбинацию углеродного волокна и пьезоэлектрического композита, предложить комфорт, большую долговечность и возможности для зондирования», - говорит Нарита.

Группа изготовила устройство, используя комбинацию однонаправленной ткани углеродного волокна (UDCF) и наночастиц нанобата натрия калия (KNN), смешанных с эпоксидной (EP) смолой.UDCF служил как электродом, так и направленным усилением.

Так называемое устройство UDCF/KNN-EP оправдало его ожидания.Тесты показали, что это может поддерживать высокую производительность даже после того, как будет растянут более 1000 раз.

Было доказано, что он может выдержать гораздо более высокую нагрузку при тяге вдоль направления волокна по сравнению с другими гибкими материалами.Кроме того, когда он подвергается воздействию и растяжению, перпендикулярно направлению волокна, он превосходит другие пьезоэлектрические полимеры с точки зрения плотности энергии.

Механические и пьезоэлектрические ответы UDCF/KNN-EP были проанализированы с использованием многомасштабного моделирования в сотрудничестве с группой профессора Uetsuji в Институте технологии Осаки.

UDCF/KNN-EP поможет продвинуть разработку гибких датчиков IoT с мощностью, что приведет к расширенным многофункциональным устройствам IoT.

Нарита и его коллеги взволнованы технологическими достижениями своего прорыва.

«CF/KNN-EP был интегрирован в спортивное оборудование и точно обнаружил влияние от ловца бейсбола и частоты шага человека. В нашей работе высокая прочность CF была использована для повышения устойчивости и надежности датчиков без аккумулятора при сохранении при сохранении при сохранении при сохранении при сохранении при одновременномих направленная растяжимость и обеспечивает ценную информацию и руководство для будущих исследований в области обнаружения движения ».

Больше информации: Яонан Ю и др., Изготовление, оценка и многомасштабное моделирование пьезоэлектрических композитов, усиленных с использованием однонаправленных углеродных волокон для гибких датчиков движения, малых (2023).Doi: 10.1002/smll.202307689