华中科技大学苏彬/陶光明等《AFM》：穿上这件衣服，可以通过运动发电！

服装作为人类的第二层皮肤，被广泛用于保暖和传递信息。在过去三十年中，通过附加或内置技术，服装被赋予了多种电气功能，使人类能够感知周围环境。相对于基于薄膜的柔性装置，服装具有高孔隙率、大比表面积、优异的透气性和穿着舒适性。一般来说，人类的日常行为提供了大量的机械能来源；然而，这些资源通常是被浪费掉的。一旦通过服装获得“无限”的机械能，将解决服装电子产品持续供电的挑战，并有利于其未来的发展。电磁学已被用于从人体运动中获取能量，预计将为越来越多的可穿戴式织物电子设备提供动力。然而，大多数报道的基于电磁学的方法都需要严格而繁重的设置。

基于自供电概念的启发，华中科技大学的苏彬教授和陶光明教授和来自武汉纺织大学的徐卫林教授以及来自香港理工大学的陶肖明教授团队展示了一种可伸缩的柔性磁电服装发电机，它可以通过摆动手臂来发电。“粒子流纺纱”（PFS）方法可以生产连续的磁性纱线，因此可以通过工业织机大量生产磁性织物，并且成本较低。磁性织物和导线被可以安排在衣服腋窝部位的两侧，在摆动手臂时产生持续稳定的电压和电流，有14.3V的峰值电压、31.2 mA峰值电流和96 mW峰值功率（3197 mW m−2峰值功率密度）以及低阻抗负载（750欧姆）。此外，在酸性/碱性环境或极端温度下，磁性织物可以在水下工作，而无需密封处理。磁电服装发电机可以为许多领域的各种电子设备供电，如LED灯、计算器、无线通信和健康监测设备。这种方法开辟了一条探索电磁能量收集策略的道路，以实现服装电子产品的发电。相关工作以题为“Magnetoelectrical Clothing Generator for High-Performance Transduction from Biomechanical Energy to Electricity”的研究性文章在《Advanced Functional Materials》发表。

磁性纱线和织物的制备

制备磁性织物的过程包括纺丝、织物制造、织物磁化（图1c）。带有钕磁铁（Nd 2Fe 14B）的磁性纱是通过粒子流纺丝（PFS）方法进行生产的，该方法在通用性、超短加工和批量生产方面具有优势。通过将聚四氟乙烯（PTFE）薄膜条包裹在复合聚丙烯（PP）无纺布条上，嵌入直径为28±5µm的钕铁硼粉末之中，从而为钕铁硼磁性纱线提供了芯-鞘结构。张力控制器和正辊（图1d）用于确保在飞片锭子加捻过程中，纱线张力均匀且成纱位置稳定（图1e）。用这种方法生产的纱线如图1f所示。

图1. NdFeB磁性织物的可扩展和批量生产。

磁性织物的生产及其发电能力

磁性纱线可以适应工业织机不同的机械要求。采用磁性纱作为纬纱，采用聚酯股线作为经纱，本文成功地生产出平纹织物（图2a）。在商用SGA598半自动织机上（图2b），将含20-80 wt%磁粉的磁性纱线编织成不同的织物，从而生产出高达1×3 m 2的连续织物（图1h和2c），该织物具有优异的柔韧性和可折叠的柔软性。然后，用磁化机对生产的织物进行磁化处理，使其北极方向垂直于样品表面，织物可以保持稳定的磁场≈46 mT（80 wt%磁粉含量）（图2d、e）。磁粉的数量影响磁性织物的磁性强度以及输出电压（图2f）。当磁性粒子的比例增加到80 wt%时，这种织物的最高输出电压为39.2毫伏。图2g显示了不同移动速度下，磁性含量为80 wt%的织物的电输出性能。速度越高，输出电压越高。该织物的最大输出电压为107.6 mV。另一方面，增加线圈数量可以提高输出电压（图2h）。

图2. 磁性织物的生产及其发电能力。

磁性织物性能稳定性的研究

为了评估磁性织物的可洗性，使用商用洗衣机对磁性织物进行洗涤。原始织物（5×5 cm 2）的电气性能以及洗涤30次后的电气性能如图3a、b所示。在10次和30次循环后输出电压均能保持不变，为磁场强度分别为90%和70%，这是由于在外力作用下，NdFeB颗粒磁畴的变化导致磁场强度降低所致。这些结果得益于特殊的扭转制造技术，用以保护内部磁粉不与外部环境接触。一般来说，其他类型的摩擦发电机会受到高湿度条件的限制（特别是在水或1M酸性或碱性溶液中），但是本文提出的织物不会受到影响。

图3. 5×5 cm2的磁性织物的耐洗、透气、水下和极端条件的电气性能。

磁性服装发电机的发电能力

为了证明其对当前商业服装的适应性和持续发电的能力，本文将磁性织物和线圈连接到商业夹克腋窝部位的两侧（图4a，e）。连接五层5×30 cm 2磁性织物（图4c、d）和线圈（同一区域内1000圈），并测试志愿者摆动手臂时产生的电信号（图4b）。磁性强度均匀地分散在织物上，如2D高斯计观察所示（图4c）。磁衣发电器在志愿者摆动过程中可长时间产生连续稳定的电压输出和电流输出（图4f，h），其峰值电压为143.V（图4g），峰值电流为31.2mA（图4i）。

图4. 磁性服装发电机的生产及其发电能力

图5.通过连续摆动手臂驱动各种电子设备来测试磁电服装发电机的发电能力。

小结：本文报告了一种磁电服装发电机的制造方法，该发电机通过人体的摆动运动发电。通过负载电阻为750欧姆的磁电衣物发电机达到的功率密度为3197 mW m−2，这比目前所有报告中的最高的。钕铁硼磁性纱及其织物与纺织加工技术的兼容可用于大规模生产。此外，磁性织物能够经受标准机械试验、渗透性试验、水下和机洗试验，并显示出良好的耐久性和重复性。并且，磁性织物可在水下工作，无需额外密封处理，在酸性/碱性环境中或在以下极端温度下工作（-10至80°C）。

全文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202107682

来源： 高分子科学前沿

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