Пиезоелектричен композитен нанофибърен електрод за носими устройства


Приложенията за носими устройства поставиха началото на нова ера на взаимодействие човек-компютър с различни цели, основни концепции и форми. Тези устройства имат широко приложение в областта на медицината и здравеопазването като оценка на физиологичния сигнал, лека атлетика и откриване на замърсяване.

Пиезоелектричен композитен нанофибърен електрод за носими устройства

Проучване: Синтез на азотно добавен редуциран графенов оксид на базата на керамичен полимерен композитен нанофибърен филм за приложения на носими устройства. Кредит за изображение: магически снимки/Shutterstock.com

Разработването на ефективен електрод с оптимална диелектрична проницаемост за приложения на носими устройства обаче остава основно предизвикателство.

Скорошно проучване, публикувано в Научни доклади се занимава с този проблем чрез изработване на пиезоелектричен композитен електрод, базиран на филм от нанофибър, за нови приложения на носими устройства.

Материали за приложения на носими устройства: преглед и предизвикателства

Пиезоелектричните композити, базирани на полимерни материали и керамика, придобиха значителен интерес за приложенията на носими устройства поради техните отлични механични и електрически качества, като адаптивност, диелектрични свойства и устойчивост. Електрическите характеристики на необработените материали могат да бъдат подобрени чрез включване на пиезоелектрична керамика в композитни материали.

Въпреки че пиезоелектричните композитни материали са успешно разработени за приложения на носими устройства, техните резистивни характеристики ограничават способността им да подобряват пиезоелектричните възможности. Проводими материали могат да бъдат въведени в пиезоелектрични композити, за да се увеличат техните електрически характеристики, преодолявайки тези ограничения.

Двуизмерният редуциран графенов оксид (rGO) обикновено се използва като проводящо вещество в приложения за носими устройства. Може да се смесва с други материали за подобряване на механичните и електрическите качества.

Следователно, включването на rGO в пиезоелектрични материали може да увеличи техните пиезоелектрични характеристики. Въпреки това, многобройни дефекти се образуват по време на реакцията на редукция на rGO, компрометирайки неговите характеристики на електронен транспорт.

Тези дефекти могат да бъдат много вредни за приложенията на пиезоелектрични устройства за носене, тъй като нарушават електрическото поле. За да се компенсират намалените проводими характеристики, азотът може да бъде включен в двумерен rGO, което води до N-rGO с подобрени електрически свойства.

Пиезоелектрични нанофибърни филми: Бъдещето на приложенията за носими устройства

Пиезоелектричните нанофибърни филми, направени от съполимерни и керамични материали, имат различни предимства пред конвенционалните композити, включително адаптивност и диелектрични свойства. Филмът от нановлакна е по-гъвкав от други композитни материали и керамични полимери поради голямото си съотношение.

Въпреки че могат да се използват много техники за създаване на пиезоелектрични нанофибърни филми за приложения на носими устройства, методът на електрозавъртане се използва често, тъй като предлага няколко предимства пред други физически производствени методи.

Електропредене е процес, който използва електрическо поле за създаване на нановлакна от полимерни материали, керамика и метали. Този метод може да създаде нановлакна от сложни съединения и да работи при ниски температури.

Освен това, високопроводими N-rGO и пиезоелектрични хибридни нановлакна могат да бъдат напълно комбинирани по време на подготвителната процедура преди електропредене. Следователно, N-rGO легирани пиезоелектрични композитни нановлакна, подходящи за различни приложения на носими устройства, могат лесно да бъдат произведени.

Интердигитални електроди за приложения на носими устройства

Почти всички приложения на носимите устройства имат електродна структура от тип планер и традиционните вертикални електроди не могат да се използват в приложения на носимите устройства от следващо поколение. Добре установено е, че пиезоелектричните нановлакнести филми с електроди от планиращ тип предлагат уникални електрически възможности за широк спектър от приложения на носими устройства.

Това проучване създаде интердигитални електроди от планиращ тип и ги приложи върху N-rGO-легирани пиезоелектрични хибридни филми от нановлакна за приложения на носими устройства.

Изследователите избраха синтетичния N-rGO за обогатяване на пиезоелектрични композитни нановлакна, защото има по-висока проводимост от rGO. Азотът е от съществено значение за премахване на дефекти от rGO повърхността. В резултат на тази по-висока проводимост, свойствата на плаващия електрод в пиезоелектричните композитни материали могат да бъдат подобрени.

Изследователите са използвали процедурата за конформно картографиране, за да извлекат различни комбинации от диелектрична проницаемост чрез симулиране и изчисляване на функционалните диелектрични свойства на подготвените електроди. Тези електроди също бяха използвани за разработване на адаптивни пиезоелектрични екстрактори на енергия за приложения на носими устройства.

Важни заключения от изследването

Характеристиките на плаващия електрод подобриха генератора на енергия, базиран на нанофибри, създаден в тази работа, и подобриха изходната мощност. Изходната мощност беше оптимизирана чрез усъвършенстване на производствената техника и архитектурата на междуцифровия електрод. Установено е, че съхраненият потенциал, напрежението на отворена верига и изходната мощност са съответно 3,78 V, 12,4 V и 6,3 μW.

Общата диелектрична проницаемост на пиезоелектричните хибридни нанофибърни филми беше увеличена от 8,2 на 15,5 чрез включване на керамика и N-rGO проводници. Тази повишена ефективна диелектрична константа най-вероятно се дължи на повишения интензитет на електрическия поток в резултат на по-голяма проводимост.

Въз основа на тези резултати е правдоподобно да се заключи, че интердигиталните електроди, съставени от N-rGO-легирани пиезоелектрични нанофибърни филми, имат висок потенциал за използване в различни приложения за носими устройства в бъдеще.

справка

Джи, Дж.-Х. et al. (2022). Синтез на азотно добавен редуциран графенов оксид на базата на керамичен полимерен композитен нанофибърен филм за приложения на носими устройства. Научни доклади. Наличен в: https://www.nature.com/articles/s41598-022-19234-0

Отказ от отговорност: Мненията, изразени тук, са тези на автора, изразени в лично качество и не представляват непременно възгледите на AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, собственикът и операторът на този уебсайт. Този отказ от отговорност е част от Правилата и условията за използване на този уебсайт.