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- 高性能壓電纖維傳感器實(shí)現(xiàn)滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
- 來(lái)源：大邱慶北科學(xué)技術(shù)研究院（Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology） 發(fā)表于 2025/5/26
雙拉舍爾結(jié)構(gòu)隨間隔紗長(zhǎng)度變化的變形與恢復(fù)實(shí)時(shí)觀測(cè)：(a) 2 毫米，(b) 5 毫米，(c) 15 毫米。羅馬數(shù)字對(duì)應(yīng)圖 8 中壓電能量產(chǎn)生的階段。圖片來(lái)源：《先進(jìn)功能材料》（2025）。DOI: 10.1002/adfm.202504271
大邱慶北科學(xué)技術(shù)研究院（DGIST）能源與環(huán)境技術(shù)系的林相圭（Lim Sang-kyu）博士團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種智能纖維傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滑坡等自然災(zāi)害。這種新型纖維基于壓電技術(shù)（將壓力轉(zhuǎn)化為電能），其三維（3D）結(jié)構(gòu)顯著提升了性能，助力實(shí)現(xiàn)無(wú)需外部電源的自供電傳感器系統(tǒng)。
該研究成果發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）期刊。
壓電纖維的技術(shù)突破
壓電纖維在受壓或彎曲時(shí)會(huì)產(chǎn)生電能，常用于可穿戴設(shè)備、智能纖維傳感器和能量收集裝置。然而，傳統(tǒng)纖維結(jié)構(gòu)中存在多層空氣層，其對(duì)性能的影響尚不明確，導(dǎo)致能量輸出受限。
研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型納米材料 —— 鈦酸錫納米棒（SnTiO₃ NR），并將其與聚合物聚偏二氟乙烯（PVDF）復(fù)合制成壓電纖維。這種纖維的橫截面呈八瓣花瓣?duì)睿ㄟ^特殊編織技術(shù)形成兩層重疊的 3D 雙拉舍爾結(jié)構(gòu)（double-Raschel structure）。結(jié)構(gòu)內(nèi)的纖維間空氣層可吸收沖擊、傳遞壓力并放大信號(hào)。
間隔紗長(zhǎng)度為 5 毫米、嵌入 5% SnTiO₃納米棒的八瓣截面 PVDF 纖維構(gòu)成的雙拉舍爾結(jié)構(gòu)織物中，間隔紗的實(shí)時(shí)變形與恢復(fù)過程。圖片來(lái)源：《先進(jìn)功能材料》（2025）。DOI: 10.1002/adfm.202504271
關(guān)鍵性能數(shù)據(jù)
實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)在 5 cm×5 cm 區(qū)域施加 1 N/m² 壓力時(shí)，該纖維傳感器可產(chǎn)生高達(dá) 92.8 V 的電壓和 4.13 mA 的電流 —— 無(wú)需外部電源即可點(diǎn)亮 22 顆 LED 燈，也足以驅(qū)動(dòng)日常傳感器系統(tǒng)或小型電子設(shè)備。這一性能通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)，其能量輸出是傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)的兩倍以上，展現(xiàn)了高性能智能纖維的潛力。
自供電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
研究團(tuán)隊(duì)還利用該纖維構(gòu)建了基于藍(lán)牙的自供電實(shí)時(shí)滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可檢測(cè)外力并無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)，適用于多種場(chǎng)景：從監(jiān)測(cè)暴雨引發(fā)的滑坡等災(zāi)害征兆，到追蹤健康和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。
林相圭博士表示：“我們明確了可提升壓電纖維性能的結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)因素。這項(xiàng)研究將推動(dòng)智能傳感技術(shù)的發(fā)展，助力對(duì)暴雨滑坡等各類災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警響應(yīng)。”
更多信息
相關(guān)研究成果發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》，標(biāo)題為《基于 SnTiO₃納米棒嵌入八瓣截面 PVDF 纖維的雙拉舍爾結(jié)構(gòu)織物用于先進(jìn)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)》（Double Raschel‐Structured Fabric Based on SnTiO3 Nanorod‐Embedded 8‐Petal Cross‐Section PVDF Fibers for an Advanced Disaster Warning System），DOI: 10.1002/adfm.202504271。
期刊信息：Advanced Functional Materials
來(lái)源：大邱慶北科學(xué)技術(shù)研究院
術(shù)語(yǔ)注釋
壓電技術(shù)（Piezoelectric Technology）：通過材料形變產(chǎn)生電荷的效應(yīng)，常用于能量轉(zhuǎn)換和傳感領(lǐng)域。
雙拉舍爾結(jié)構(gòu)（Double-Raschel Structure）：一種三維編織技術(shù)，通過兩層重疊結(jié)構(gòu)形成立體織物，具備獨(dú)特的力學(xué)性能。
自供電系統(tǒng)（Self-Powered System）：無(wú)需外部電源，通過環(huán)境能量（如壓力、振動(dòng)）實(shí)現(xiàn)供電的技術(shù)方案。
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