Tạo ra được vật liệu tổng hợp Piezo sợi carbon cho thiết bị cảm biến chuyển động

Một nhóm nghiên cứu quốc tế đã chế tạo được một thiết bị linh hoạt có độ bền cao rất mới nhờ kết hợp vật liệu tổng hợp áp điện với sợi carbon đơn hướng (UDCF), một vật liệu dị hướng chỉ cung cấp độ bền theo hướng của sợi. Thiết bị mới biến đổi động năng từ chuyển động của con người thành điện năng, cung cấp một phương tiện hiệu quả và đáng tin cậy cho các cảm biến có độ bền cao và tự cấp nguồn.

Nguyên lý, thiết kế cấu trúc và ứng dụng của vật liệu nanocompozit áp điện linh hoạt được gia cố bằng sợi carbon đơn hướng. Nguồn: Đại học Tohoku

Chi tiết về nghiên cứu của nhóm đã được công bố trên tạp chí Small vào ngày 14 tháng 12 năm 2023.

Chuyển động cơ học liên quan đến việc chuyển đổi năng lượng từ chuyển động của con người thành tín hiệu điện có thể đo được và là điều có thể rất quan trọng để đảm bảo một tương lai bền vững.

Giáo sư Fumio Narita, Viện Nghiên cứu Môi trường của Đại học Tohoku, đồng tác giả của nghiên cứu cho biết: "Các vật dụng hàng ngày, từ đồ bảo hộ đến thiết bị thể thao, đều được kết nối với Internet như một phần của Internet of Things (IoT) và nhiều trong số chúng được trang bị cảm biến thu thập dữ liệu. Việc tích hợp hiệu quả các thiết bị IoT này vào thiết bị cá nhân đòi hỏi các giải pháp sáng tạo trong quản lý năng lượng và thiết kế vật liệu để đảm bảo độ bền, tính linh hoạt".

Có thể sử dụng năng lượng cơ học nhờ khả năng tạo ra điện của vật liệu áp điện khi bị kéo căng về mặt vật lý. Trong khi đó, sợi carbon có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ và ô tô, thiết bị thể thao và thiết bị y tế vì độ bền và nhẹ của nó.

“Chúng tôi tự hỏi liệu thiết bị bảo vệ cá nhân, được chế tạo linh hoạt bằng cách sử dụng kết hợp sợi carbon và hỗn hợp áp điện, có thể mang lại sự thoải mái, độ bền và khả năng cảm biến cao hơn hay không”, Narita cho biết.

Nhóm đã chế tạo thiết bị bằng cách sử dụng kết hợp vải sợi carbon đơn hướng (UDCF) và hạt nano kali natri niobate (KNN) trộn với nhựa epoxy (EP). UCFF đóng vai trò vừa là điện cực vừa là vật gia cố định hướng.

Thiết bị có tên là UCFF/KNN-EP, đã đáp ứng được mong đợi của chính nó. Các thử nghiệm cho thấy nó có thể duy trì hiệu suất cao ngay cả khi bị kéo giãn hơn 1.000 lần. Người ta đã chứng minh rằng nó có thể chịu được tải trọng cao hơn nhiều lần khi được kéo dọc theo hướng sợi so với các vật liệu dẻo khác. Ngoài ra, khi chịu tác động và kéo giãn vuông góc với hướng sợi, nó vượt trội hơn các polyme áp điện khác về mật độ năng lượng đầu ra. Phản ứng cơ học và áp điện của UDCF/KNN-EP được phân tích bằng mô phỏng đa quy mô với sự cộng tác của nhóm Giáo sư Uetsuji tại Viện Công nghệ Osaka. UDCF/KNN-EP sẽ giúp thúc đẩy sự phát triển của các cảm biến IoT tự cấp nguồn linh hoạt, dẫn đến các thiết bị IoT đa chức năng cao cấp.

Narita và các đồng nghiệp đãcó những tiến bộ công nghệ mang tính đột phá. CF/KNN-EP đã được tích hợp vào thiết bị thể thao và phát hiện chính xác tác động từ việc bắt bóng chày và tần số bước của một người. Trong nghiên cứu của chúng tôi, cường độ cao của CF đã được tận dụng để cải thiện tính bền vững và độ tin cậy của cảm biến không dùng pin trong khi vẫn duy trì khả năng co giãn định hướng của chúng và cung cấp những hiểu biết sâu sắc cũng như hướng dẫn có giá trị cho nghiên cứu trong tương lai trong lĩnh vực phát hiện chuyển động.

P.T.T (NASATI), theo https://techxplore.com, 1/2024