可穿戴且高效的三维纺织集成电磁发电机，适用于自供电系统

《Applied Materials Today》：Wearable and high-efficiency 3D textile integrated electromagnetic generator for self-powered system

基于三维编织磁纤维的可穿戴电磁发电机研究，通过将Nd?Fe??B粉末填充至PET/PU空心带并用水borne polyurethane封装，制备出拉伸率265%且弹性恢复率87%的磁纤维，编织成3D正交磁 fabric与导电线圈结合后，在自然手臂摆动下实现464.33 mW/m2功率密度，可为LED供电及电容充电至2V以上。

　　

Bangze Zhou|Jiayu Yang|Shuchang Zhang|Ruijie Wang|Liwen Zhang|Fujun Xu

东华大学纺织学院，中国上海201620

摘要

随着可穿戴电子设备需求的增加，人们迫切需要开发出坚固、便携且适应性强的能源系统。电磁发电机（EMG）通过电磁感应将机械能转换为电能，具有高能量效率、高电流密度和低阻抗的优点。然而，它们重量大、体积庞大且刚性较强，这些缺点限制了其应用。为了解决这些问题，研究人员开发了一种基于纺织材料的EMG系统：使用三维磁性织物作为磁组件，导电线圈作为导电组件。首先，将Nd?Fe??B粉末掺入中空带材中，并用水性聚氨酯密封，制备出具有265.04%拉伸应变和超过87%弹性恢复率的磁性纱线。这些纱线被编织成磁性织物，作为磁组件。当与导电线圈结合使用时，该发电机可产生1.05伏特的峰值电压和1.38毫安的电流。通过将这种磁性织物集成到服装中，制作出了可穿戴的发电装置。在自然手臂摆动过程中，该装置能够产生464.33毫瓦/平方米的输出功率密度，内部电阻约为510欧姆，能够有效驱动LED灯，并在30秒内将电容器充电至2伏特以上。这证明了基于纺织材料的EMG在为小型电子设备供电方面的可行性及其在自供电可穿戴系统中的潜力。

引言

随着第四次工业革命的到来，可穿戴电子设备发展迅速，在智能纺织[1,2]、电子皮肤[3,4]和健康监测[5,6]等各种应用中发挥着重要作用。可穿戴电子设备的广泛应用彻底改变了日常生活，开启了智能与科学进步的时代。在可穿戴设备的各个组件中，能量采集单元对于设备的持续运行至关重要。然而，大多数设备依赖电池和超级电容器，但这些装置存在寿命有限、刚性高、安全隐患以及环境影响等问题[[7], [8], [9], [10]]。因此，人们对便携、持久且灵活的能源解决方案的需求日益增长，推动了可穿戴能量采集器的研究[11]。最近的研究重点是通过多种技术将环境能量转化为电能[[12], [13], [14]]。随着电子设备功耗降至毫瓦甚至微瓦级别，收集太阳能[15]、热能[16]、生化能[17]尤其是机械能[18]变得越来越可行[19]。其中，来自人体运动的机械能因其丰富性、连续性和与能源应用的兼容性而特别具有吸引力[20,21]。

有多种机制可以将机械能转化为电能，包括压电效应、摩擦电效应和电磁效应。基于压电和摩擦电效应的发电机通过操控材料界面的电极化粒子来工作，但通常电流密度低、阻抗高且耐湿性差。相比之下，电磁发电机（EMG）通过磁通量的变化来发电，具有高能量转换效率（高达90%）和更好的抗环境波动能力[22,23]。然而，传统的EMG通常由刚性的磁组件和导电组件构成，限制了其在柔性系统中的应用[24]。

为了解决这一问题，研究人员转向了纺织材料，因为纺织材料具有柔软性、透气性、机械适应性和结构韧性，是集成EMG的有前景的平台[25]。基于纺织材料的柔性EMG在下一代可穿戴电子设备中受到越来越多的关注[[26], [27], [28], [29]]。EMG性能的关键在于磁组件的引入，这可以通过后处理或混合技术实现[30]。虽然后处理方法可以将磁颗粒沉积在纤维表面，但存在颗粒脱落和功能下降的风险[31,32]；而在纺丝过程中将磁颗粒混合到聚合物基体中可以实现更稳定的集成，但可能受到颗粒加载量的限制，这可能导致纤维断裂[33,34]。

在这项研究中，我们开发了一种新型的三维（3D）编织EMG，具有高磁粉负载量和结构稳定的架构，为基于纺织材料的能量采集器提供了一种新策略。通过将钕（Nd?Fe??B）粉末掺入聚酯/聚氨酯中空带材中，并用水性聚氨酯（WPU）密封，制备出磁性纱线。这些纱线被编织成三维正交织物，经过磁化后与导电线圈结合使用，形成了EMG的磁部分。该装置表现出优异的电气性能。此外，还制作了由这种磁性织物制成的可穿戴服装，显示出在可穿戴系统中实现灵活高效能量采集的巨大潜力。

材料

材料

钕（Nd?Fe??B）粉末由广州新诺德传动元件有限公司提供，粒径为400目，剩磁约为0.75特斯拉，矫顽力为890千安/米。聚酯/聚氨酯（PET/PU）中空带材的扁平宽度分别为3.5毫米、4毫米、5毫米和6毫米，壁厚约为1毫米，购自嘉辉纺织厂。水性聚氨酯（WPU）的固含量为19%，由凯轩塑料科技有限公司提供。

磁性纱线的性能

图2a展示了不同加工阶段下带材的纵向截面和横截面。中空带材具有环状空心结构。填充Nd?Fe??B粉末后，带材内部形成了致密的灰色磁芯。经过WPU涂层处理后，纱线表面变得光滑。如图2b所示，拉伸后Nd?Fe??B粉末没有泄漏，表明WPU在带材外部形成了均匀的密封层。

结论

本研究开发了一种新型的3D纺织基可穿戴自供电电磁系统，其中磁组件采用Nd?Fe??B粉末制成的磁性纱线，柔性基材为中空带材，封装层为WPU。这些纱线具有优异的柔韧性，拉伸应变达到265%，弹性恢复率超过87%，磁场强度为61.06毫特斯拉。系统地研究了各种参数对EMG性能的影响。

作者贡献声明

Bangze Zhou：撰写初稿、软件开发、数据分析。Jiayu Yang：撰写初稿、软件开发。Shuchang Zhang：研究方法设计。Ruijie Wang：软件开发。Liwen Zhang：审稿与编辑、指导工作。Fujun Xu：审稿与编辑、指导工作、研究方法设计。