隨(sui)著信息化(hua)社(she)會的(de)快速發(fa)展，可(ke)穿戴電(dian)子設備在(zai)(zai)(zai)健(jian)康(kang)監測、環(huan)境(jing)感知等(deng)領域(yu)的(de)應(ying)用(yong)價值日益凸顯，但其續航能(neng)力受(shou)限(xian)于電(dian)池壽命（最新柔(rou)性(xing)鋅(xin)空氣電(dian)池僅能(neng)工(gong)作40-150小時），頻繁充電(dian)成(cheng)(cheng)為用(yong)戶使用(yong)痛點。摩擦(ca)納米(mi)發(fa)電(dian)機（TENG）雖能(neng)收集人體(ti)運動能(neng)量(liang)實現自(zi)供電(dian)，但傳統(tong)紡織基TENG在(zai)(zai)(zai)環(huan)境(jing)適應(ying)性(xing)及全天候溫度(du)調控方面存在(zai)(zai)(zai)嚴(yan)重局限(xian)：靜(jing)態溫控材料僅支持單(dan)一制冷(leng)或制熱(re)功(gong)能(neng)，無法應(ying)對復雜(za)環(huan)境(jing)變化(hua)；光熱(re)材料則(ze)依賴不穩定的(de)光照條件(jian)。如何(he)在(zai)(zai)(zai)同一設備中集成(cheng)(cheng)雙向(xiang)溫控與高效能(neng)量(liang)收集，成(cheng)(cheng)為行(xing)業長期(qi)未解(jie)的(de)難題(ti)。

河南大學楊文勝教授(shou)、曹瑞(rui)瑞(rui)副教授(shou)，北京航空航天大學潘曹峰教授(shou)以及中(zhong)國科學院北京納米(mi)能(neng)源與系統研究(jiu)所高文超研究(jiu)員合作(zuo)，首次(ci)開發(fa)(fa)(fa)出(chu)基于(yu)熱(re)管(guan)理織(zhi)物的(de)納米(mi)摩擦發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)多功(gong)(gong)能(neng)智(zhi)能(neng)紡(fang)織(zhi)品(pin)（PTMT-TENG），成(cheng)(cheng)功(gong)(gong)融合三大核心功(gong)(gong)能(neng)：1）能(neng)量收集：摩擦電(dian)(dian)層功(gong)(gong)率密度達8762 μW/m2，較傳統TENG提升(sheng)(sheng)325.8%，可為(wei)電(dian)(dian)子表等(deng)設備(bei)供電(dian)(dian)；2）自(zi)適應(ying)溫控：夜間(jian)低(di)溫環境升(sheng)(sheng)溫4.4℃，高溫環境降溫3.8℃，結合光熱(re)效應(ying)在寒冷白晝實現15.9℃的(de)保暖提升(sheng)(sheng)；3）自(zi)供電(dian)(dian)傳感：精準識別人體動作(zuo)信號，同時具(ju)備(bei)透氣性(xing)、柔韌性(xing)與自(zi)清(qing)潔特(te)性(xing)。相關成(cheng)(cheng)果以“Multipurpose Smart Textile with Integration of Efficient Energy Harvesting, All-Season Switchable Thermal Management and Self-Powered Sensing”為(wei)題，發(fa)(fa)(fa)表在期刊《Advanced Functional Materials》上。

該紡(fang)織品(pin)采用三(san)層(ceng)結構(gou)設計(ji)（圖1）：外層(ceng)為雙模式(shi)熱管(guan)理(li)層(ceng)（DSTML），中(zhong)(zhong)層(ceng)為摩擦發電(dian)層(ceng)，內(nei)層(ceng)為基底層(ceng)。DSTML通(tong)過同軸靜電(dian)紡(fang)絲技術將相變(bian)材料n-十八烷（n-OD）封裝于(yu)聚多巴胺(an)（PDA）包裹(guo)的PVDF-HFP纖維中(zhong)(zhong)，形成(cheng)核殼結構(gou)。當環境(jing)溫(wen)(wen)度(du)波動時，n-OD通(tong)過固-液(ye)相變(bian)吸收/釋(shi)放潛(qian)熱（如低(di)溫(wen)(wen)凝固放熱，高溫(wen)(wen)熔(rong)化(hua)吸熱），而PDA則利用共軛結構(gou)中(zhong)(zhong)的π電(dian)子弛豫效應(ying)，將太(tai)陽光高效轉化(hua)為熱能。

圖(tu)1. 多功能POA-PGC紡織(zhi)品的制備流程、結構設計及工作原(yuan)理示意圖(tu)。

掃描電鏡(jing)與元素(su)圖譜（圖2）證實了核殼結構(gou)的(de)穩定性。纖(xian)維直徑隨n-OD注入量(liang)的(de)增加呈現(xian)先增后減(jian)的(de)趨勢，最(zui)佳(jia)注入量(liang)為0.9 mL/h（PO0.9樣(yang)品）。該材料(liao)相(xiang)變(bian)焓高達89.2 J/g（圖3a），遠超近期報道(dao)的(de)同類(lei)材料(liao)（圖3b）。在10℃環境(jing)中可(ke)升溫(wen)4.0℃，40℃環境(jing)中降溫(wen)3.4℃（圖3c），紅外熱(re)像圖清(qing)晰顯示其延遲變(bian)色特(te)性（圖3d）。經100次冷(leng)熱(re)循(xun)環后，相(xiang)變(bian)焓僅(jin)損失6.7%-8.6%（圖3e-g），分解溫(wen)度達135℃，滿足可(ke)穿戴設備穩定性需求。

圖2. 多功能POA-PGC紡織品(pin)的(de)結構(gou)與(yu)形貌(mao)。

圖3. PO系列樣品的相變(bian)特性(xing)。

PDA賦予材(cai)(cai)料86.4%的(de)光熱(re)(re)轉(zhuan)換效率(lv)（圖4f），在100 mW/cm2光照下(xia)90秒內升溫31℃（圖4c）。雙模式設計突破單一溫控(kong)(kong)局(ju)限：寒冷白(bai)晝，PDA快速(su)升溫疊加n-OD蓄熱(re)(re)，實現持續保暖；夜晚或無光時，相變材(cai)(cai)料單獨(du)調控(kong)(kong)溫度。10次循環測試（圖4g）驗證了該機制的(de)可靠性(xing)。

圖4. POA的雙(shuang)模式熱管理特性。

在(zai)PVDF-HFP基質中加(jia)入(ru)1.5%石墨烯（GN）與0.5%碳納(na)米管（CNT）后（圖5a），摩(mo)擦電層開(kai)路電壓(ya)提升至77 V，功(gong)率密度達8762 μW/m2（圖5b）。介電常數提高1.48倍（圖5c），電活(huo)性(xing)β相(xiang)含量(liang)從75.5%增至82.6%（圖5e）。經10000次(ci)擠壓(ya)循環（圖5g）及10個月自然存放后，性(xing)能保(bao)持率超93%，水洗后仍能穩定工作。

圖5. PGC-TENG的摩(mo)擦電輸出性能(neng)。

材料透(tou)氣率（761 g/m2·h）接(jie)(jie)近棉織物(wu)（圖(tu)(tu)6a），水(shui)蒸氣可自由(you)穿(chuan)透(tou)（圖(tu)(tu)6b）。疏水(shui)性（接(jie)(jie)觸角130.9°）賦予其(qi)“自清潔(jie)”能力，可排斥泥水(shui)與灰塵。實際應用中（圖(tu)(tu)6e），4.5 cm×4.5 cm的(de)紡織品成(cheng)功驅動電子表(biao)運行(xing)；作為傳感器（圖(tu)(tu)6g），其(qi)可精準(zhun)識別手指(zhi)敲擊(ji)次(ci)數與頻率。

圖6. 基于POA-PGC的(de)PTMT-TENG的(de)多功能應用。

在模擬環(huan)境中（圖(tu)7a）：1）寒冷(leng)夜間：相變(bian)材料(liao)放熱使織(zhi)物表面(mian)溫度較棉布高4.4℃（圖(tu)7b,e）；2）寒冷(leng)白晝：光熱與(yu)相變(bian)協同(tong)實(shi)現15.9℃溫升(sheng)（圖(tu)7c,g）；3）高溫環(huan)境：相變(bian)吸熱產生3.8℃降溫效果（圖(tu)7d,i）。同(tong)步(bu)運動(dong)能量收集(ji)實(shi)驗（圖(tu)7f,h,j）證明其在極端環(huan)境下仍(reng)可供(gong)電。

圖7. POA-PGC多功能紡(fang)織品(pin)的(de)全季節(jie)個人熱管(guan)理(li)（PTM）與運動能量收集。

該(gai)研究首(shou)次將高效能量收(shou)集、雙向(xiang)自(zi)適(shi)應(ying)溫控與自(zi)供電傳感集成于單一(yi)(yi)紡織品，突破(po)可穿戴設(she)備的(de)(de)能源(yuan)與舒適(shi)性瓶頸。所用原料均(jun)為廉價(jia)商(shang)用產品，具(ju)(ju)備規模化制備的(de)(de)潛力。這一(yi)(yi)突破(po)為下(xia)一(yi)(yi)代智能紡織品的(de)(de)創(chuang)新設(she)計開辟了新路徑，在(zai)醫療(liao)監護、運動裝備及極端環境作業服等領域具(ju)(ju)有廣闊的(de)(de)應(ying)用前(qian)景。

來(lai)源：高分子科學前(qian)沿