雙拉舍爾結(jié)構(gòu)隨間隔紗長度變化的變形與恢復(fù)實時觀測：(a) 2 毫米，(b) 5 毫米，(c) 15 毫米。羅馬數(shù)字對應(yīng)圖 8 中壓電能量產(chǎn)生的階段。圖片來源：《先進功能材料》（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）博士團隊開發(fā)出一種智能纖維傳感器，可實時監(jiān)測滑坡等自然災(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，助力實現(xiàn)無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會產(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，其對性能的影響尚不明確，導(dǎo)致能量輸出受限。

研究團隊開發(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狀，通過特殊編織技術(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。

間隔紗長度為 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，間隔紗的實時變形與恢復(fù)過程。圖片來源：《先進功能材料》（2025）。DOI: 10.1002/adfm.202504271

關(guān)鍵性能數(shù)據(jù)

實驗表明，當(dāng)在 5 cm×5 cm 區(qū)域施加 1 N/m² 壓力時，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 —— 無需外部電源即可點亮 22 顆 LED 燈，也足以驅(qū)動日常傳感器系統(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。

自供電實時監(jiān)測系統(tǒng)

研究團隊還利用該纖維構(gòu)建了基于藍(lán)牙的自供電實時滑坡監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可檢測外力并無線傳輸數(shù)據(jù)，適用于多種場景：從監(jiān)測暴雨引發(fā)的滑坡等災(zāi)害征兆，到追蹤健康和運動數(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。這項研究將推動智能傳感技術(shù)的發(fā)展，助力對暴雨滑坡等各類災(zāi)害進行預(yù)警響應(yīng)�！�

更多信息

相關(guān)研究成果發(fā)表于《先進功能材料》，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

來源：大邱慶北科學(xué)技術(shù)研究院

術(shù)語注釋

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，具備獨特的力學(xué)性能。

自供電系統(tǒng)（Self-Powered System）：無需外部電源，通過環(huán)境能量（如壓力、振動）實現(xiàn)供電的技術(shù)方案。