- 高性能壓電纖維傳感器實現滑坡實時監(jiān)測
- 來源：大邱慶北科學技術研究院（Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology） 發(fā)表于 2025/5/26
雙拉舍爾結構隨間隔紗長度變化的變形與恢復實時觀測：(a) 2 毫米，(b) 5 毫米，(c) 15 毫米。羅馬數字對應圖 8 中壓電能量產生的階段。圖片來源：《先進功能材料》（2025）。DOI: 10.1002/adfm.202504271
大邱慶北科學技術研究院（DGIST）能源與環(huán)境技術系的林相圭（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)測滑坡等自然災害。這種新型纖維基于壓電技術（將壓力轉化為電能），其三維（3D）結構顯著提升了性能，助力實現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。
壓電纖維的技術突破
壓電纖維在受壓或彎曲時會產生電能，常用于可穿戴設備、智能纖維傳感器和能量收集裝置。然而，傳統(tǒng)纖維結構中存在多層空氣層，其對性能的影響尚不明確，導致能量輸出受限。
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，通過特殊編織技術形成兩層重疊的 3D 雙拉舍爾結構（double-Raschel structure）。結構內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 纖維構成的雙拉舍爾結構織物中，間隔紗的實時變形與恢復過程。圖片來源：《先進功能材料》（2025）。DOI: 10.1002/adfm.202504271
關鍵性能數據
實驗表明，當在 5 cm×5 cm 區(qū)域施加 1 N/m² 壓力時，該纖維傳感器可產生高達 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，也足以驅動日常傳感器系統(tǒng)或小型電子設備。這一性能通過結構優(yōu)化實現，其能量輸出是傳統(tǒng)平面結構的兩倍以上，展現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建了基于藍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據，適用于多種場景：從監(jiān)測暴雨引發(fā)的滑坡等災害征兆，到追蹤健康和運動數據。
林相圭博士表示：“我們明確了可提升壓電纖維性能的結構與非結構因素。這項研究將推動智能傳感技術的發(fā)展，助力對暴雨滑坡等各類災害進行預警響應。”
更多信息
相關研究成果發(fā)表于《先進功能材料》，標題為《基于 SnTiO₃納米棒嵌入八瓣截面 PVDF 纖維的雙拉舍爾結構織物用于先進災害預警系統(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：大邱慶北科學技術研究院
術語注釋
壓電技術（Piezoelectric Technology）：通過材料形變產生電荷的效應，常用于能量轉換和傳感領域。
雙拉舍爾結構（Double-Raschel Structure）：一種三維編織技術，通過兩層重疊結構形成立體織物，具備獨特的力學性能。
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）實現供電的技術方案。
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