李召嶺

發(fā)電織物

發(fā)電織物是一種可以將周圍環(huán)境的機械能、太陽能、熱釋能等能量轉(zhuǎn)化為電能的織物。依據(jù)機械能收集機理，可以分為摩擦電式發(fā)電織物和壓電式發(fā)電織物。研究人員通過涂層、刻蝕和改性等工藝對納米纖維膜進行表面處理，并制備高性能可穿戴摩擦電織物，可以極大提升其電輸出性能和力學(xué)穩(wěn)定性。在輕拍面積為16cm的織物時，短路電流和電壓分別為110μA和540 V，最大能量密度為14.8W/m。該柔性發(fā)電織物在人體運動中收集生物機械能，可以做成發(fā)電鞋墊和發(fā)電衣服，提供可靠穩(wěn)定的供能保障，驅(qū)動電子手表、溫度計等電子器件正常工作，并點亮約560盞LED燈，如圖1所示。

圖1 發(fā)電織物及其實際應(yīng)用

當(dāng)人體在進行生物機械運動時，不可避免地會產(chǎn)生大量的汗液，特別是在劇烈運動或天氣炎熱的情況下。然而，人體表面濕度的增加會對發(fā)電織物的電輸出性能產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響。因此，研究人員又制備出一種耐濕抗汗的發(fā)電織物，通過表面化學(xué)修飾，提高摩擦層的表面疏水性，以消除水蒸氣對輸出電流的不利影響，提高了發(fā)電織物對于環(huán)境濕度的適應(yīng)能力。即使是在流汗的情況下，依舊可以高效收集人體運動產(chǎn)生的生物機械能，并驅(qū)動可穿戴電子設(shè)備正常工作。

隨著人們對于可穿戴器件的供能需求愈發(fā)迫切，發(fā)電織物由于具備輕質(zhì)便攜、結(jié)構(gòu)靈活、制造簡單、成本低廉、可穿性好、供能穩(wěn)定等優(yōu)點，受到人們的廣泛關(guān)注。但是發(fā)電織物目前仍然存在一些缺陷，如電路中阻抗大、輸出功率密度小，難以用于大功率設(shè)備的有效連續(xù)供電。由于人體運動的隨機性，人體與織物的摩擦力度與接觸角度存在不可避免的不確定差異，使得發(fā)電織物的輸出功率不穩(wěn)定。此外，發(fā)熱織物的電輸出多為交流電，不利于微型化應(yīng)用。因此，應(yīng)當(dāng)開發(fā)高效的發(fā)電模型，改善接觸摩擦的界面，選擇恰當(dāng)?shù)哪Σ翆?、介質(zhì)材料，增加輸出電流密度，增強其電輸出的穩(wěn)定性。加大新型能源供應(yīng)配套系統(tǒng)的研究力度，積極推動發(fā)電織物商業(yè)化的應(yīng)用進展。

發(fā)熱織物

隨著全球極端天氣和氣候事件頻繁發(fā)生，發(fā)熱織物的出現(xiàn)可以很好地保障在極端條件下特殊作業(yè)人員的工作，如極地勘探人員、冷庫工作者、特種兵等。電致發(fā)熱紡織品在微弱電能下可持續(xù)主動提供熱源，能夠廣泛應(yīng)用于保暖服裝、戶外裝備、地面供暖和醫(yī)療護具等領(lǐng)域。研究人員在發(fā)熱織物領(lǐng)域取得了令人矚目的成果，利用兩層滌綸織物作為外層，嵌入不同遠(yuǎn)紅外輻射納米顆粒的碳納米纖維作為夾層，制備高性能遠(yuǎn)紅外輻射加熱織物。碳納米纖維和紅外輻射納米顆粒的永久自發(fā)極化可以產(chǎn)生額外的電場來增強發(fā)熱產(chǎn)品中的電流，有效地改善了碳納米纖維膜的遠(yuǎn)紅外性能，從而產(chǎn)生快速的電熱響應(yīng)和良好的保溫效果。該遠(yuǎn)紅外輻射發(fā)熱織物具有良好的熱穩(wěn)定性、優(yōu)異的柔韌性和透氣性，優(yōu)異的導(dǎo)電性和能量轉(zhuǎn)換效率，為開發(fā)智能加熱紡織品和可穿戴加熱服裝開辟了新的機遇。

同時，利用多巴胺仿生修飾碳微米纖維，也可以構(gòu)筑遠(yuǎn)紅外輻射發(fā)熱織物，能夠提高碳纖維表面的界面活性，并利用遠(yuǎn)紅外納米顆粒摻雜改性碳纖維，提高碳纖維的電熱轉(zhuǎn)換效率。在10 V的施加電壓下，發(fā)熱織物可以在10 min內(nèi)從室溫迅速升溫到60℃左右。該遠(yuǎn)紅外輻射發(fā)熱織物具有安全性高、溫度可控、熱穩(wěn)定性好、電熱轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)異的電熱性能，可廣泛用于個體保暖、醫(yī)療器械、可穿戴柔性電子等領(lǐng)域。

發(fā)熱織物的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的較為成熟，其熱穩(wěn)定性好，電熱轉(zhuǎn)化效率高，安全性均較高，穿著的熱濕舒適性也較好。電加熱織物通過對人體的主動加熱，可以對觸覺溫度進行動態(tài)調(diào)節(jié)，能夠有效降低服裝的厚度和質(zhì)量，提高人體的活動自由度，在生物醫(yī)用、臨床醫(yī)療、個體保暖、智能可穿戴等領(lǐng)域擁有廣闊的發(fā)展空間。但是發(fā)熱織物仍存在諸多不足，如發(fā)熱不均勻，溫度精準(zhǔn)調(diào)控較差，且為實現(xiàn)輕量化，其電源的設(shè)計朝微型化方向發(fā)展，而目前的微型化電源電壓低，持續(xù)時間短，存在極端寒冷的情況下加熱功率不足等問題。

傳感織物

皮膚是人體最大的器官，能夠感受溫度、濕度、壓力以及外界復(fù)雜的刺激。為了模仿人體皮膚的觸感，柔性傳感織物應(yīng)運而生，其可以感知并對環(huán)境刺激做出相應(yīng)的響應(yīng)。由于其可實時檢測各種生理信號，從而有效地進行健康狀況監(jiān)測和疾病預(yù)防，因此可穿戴傳感織物已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得了廣泛的關(guān)注。依據(jù)傳感織物檢測信號的不同，可以分為壓力傳感織物、溫度傳感織物、濕度傳感織物、汗液傳感織物等。為模擬皮膚對于外界壓力的感知，科研人員提出了一種自供電全纖維結(jié)構(gòu)的壓力傳感織物，具有優(yōu)異的拉伸性、可呼吸性、機械穩(wěn)定性、防水透濕性與壓力傳感性能。當(dāng)織物的拉伸變形達到50%時，其傳感性能和機械穩(wěn)定性也未受到明顯影響。在0～175 kPa傳感范圍內(nèi)，其靈敏度可達0.18 V/kPa，如圖2所示。該傳感織物能夠適應(yīng)于包括人體皮膚在內(nèi)的各種非平面表面，可用于不同目標(biāo)的觸覺感知和空間映射，在運動傳感、人機交互、智能機器人和智能假肢等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。

圖2 壓力傳感織物及其實際應(yīng)用

為了模擬皮膚對于外界溫度變化的感知，研究人員開發(fā)了柔性溫度傳感織物，其測量精度高，極易操作，方便靈活并兼顧生物相容性。該溫度傳感織物可以與皮膚表面緊密貼合，具有體積小、透氣性好、成本低、精度高等優(yōu)勢，能夠保持其原有的柔軟性和易變形性，通過檢測溫度信號將其轉(zhuǎn)換成電信號，如圖3。其靈敏度可達0.381%/℃，從室溫變化至40℃、60℃、80℃時的響應(yīng)時間分別為15.6 s、16 s和16.2 s，在可折疊電子、航空動力學(xué)、機器人傳感系統(tǒng)和生物仿真技術(shù)等特殊應(yīng)用場景中有著重要的應(yīng)用前景。

圖3 溫度傳感織物及其實際應(yīng)用

目前，傳感織物在脈搏和血壓監(jiān)測、血糖和肌電監(jiān)測、人體運動姿態(tài)監(jiān)測、呼吸強度監(jiān)測以及汗液成分分析等應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。智能傳感織物提供了薄膜傳感器無法實現(xiàn)的可呼吸性和舒適性，但是其傳感靈敏度、穩(wěn)定性、水洗性與柔彈性等方面還需要進一步提高。此外，低成本、大規(guī)模制備也是在實際應(yīng)用中面臨的最大挑戰(zhàn)。

吸波織物

電磁輻射污染成為繼水污染、空氣污染、噪音污染之后的第四大污染，電磁輻射不僅干擾各種電子設(shè)備的正常運行，威脅通信設(shè)備的信息安全，而且對人類的身體健康造成潛在危害。因此治理電磁污染，開發(fā)能夠抵擋并削弱電磁波輻射的吸波材料已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點。研究人員采用靜電紡絲和煅燒相結(jié)合的方法制備了一種多孔、輕質(zhì)的碳納米纖維基吸波織物。由于其獨特的多孔結(jié)構(gòu)和引入的磁性顆粒組分，該復(fù)合織物表現(xiàn)出高效的吸波能力。碳納米纖維膜的鈷、鐵納米粒子有利于膜的導(dǎo)電性，并通過在膜內(nèi)創(chuàng)建金屬-金屬交叉點來減少接觸損失。引入的磁性顆粒組分能夠改進復(fù)合纖維膜的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，以提高其電磁波吸收性能，在2～18 GHz頻率范圍內(nèi)最大屏蔽效能可達43.60 dB。該碳納米纖維基吸波織物為新型電磁波吸收材料的設(shè)計提供了一種有效的策略，可在較寬的頻率范圍內(nèi)進行電磁屏蔽（見圖4）。

圖4 吸波織物及其實際應(yīng)用

現(xiàn)有電磁屏蔽材料普遍存在手感硬質(zhì)、屏蔽頻率范圍窄、屏蔽效能提升困難、功能單一的問題，難以滿足現(xiàn)代社會對輕質(zhì)、舒適、高效、多功能電磁防護材料的迫切需求。高強度、高導(dǎo)電、耐高溫的吸波織物為寬頻帶、多波段電磁屏蔽提供了新的機遇，從根本上實現(xiàn)了電磁屏蔽材料“薄、輕、寬、高”的發(fā)展目標(biāo)。未來可通過微納結(jié)構(gòu)設(shè)計、多組分復(fù)合、材料性能改進等方面實現(xiàn)吸波織物的電磁屏蔽阻抗匹配，通過磁-電耦合效應(yīng)改善低頻和高頻電磁損耗效能，拓寬電磁響應(yīng)波段，進一步提高電磁屏蔽性能。

當(dāng)前，智能可穿戴織物面臨重要的發(fā)展機遇，也面臨諸多的問題與技術(shù)挑戰(zhàn)。智能可穿戴織物既要具備電子器件的電子特性，又要具備普通織物的可穿戴性能。然而目前由于技術(shù)水平還不夠成熟，難以完美平衡兩者之間的關(guān)系。當(dāng)電性能優(yōu)異時，其柔彈性、舒適性、水洗性以及耐疲勞性都有待提高，反之亦然。智能可穿戴織物不可避免地受到外力作用，產(chǎn)生彎曲、磨損、拉伸等各種形變，因此需要電子設(shè)備具備良好的抗外力作用，以保證其運行的穩(wěn)定性。當(dāng)然，可洗性與耐洗性也非常重要，早期智能紡織品的電子器件是可拆卸的，可在清洗時將其取出。近些年的智能紡織品主要依靠防水封裝來保護敏感的電子器件在洗滌時不被損壞。此外，智能可穿戴織物領(lǐng)域還缺乏相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與測試方法，沒有形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。如今在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，智能可穿戴織物已經(jīng)成為研究的熱點領(lǐng)域，也取得了許多很有顯示度的成果。在纖維和織物層次上實現(xiàn)智能傳感器件或織物電路的技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，并逐步向商業(yè)化和市場化推進。