科技创新 碳索未来

碳纳米管纤维在可穿戴设备和智能织物方面的研究进展

未来,我们身上穿的戴的不仅具备现有衣物的基本功能外,还能根据需要储存和转化能量、调节温度、改变颜色和款式、信息交互、监测身体体征、提供额外动力等等。可以预见,这样的智能织物将拥有巨大的市场。要编织这样的衣物则需要一些特殊的纤维。近些年来发展的纳米碳基纤维(如碳纳米管纤维和石墨烯纤维)不仅具有传统织物纤维的良好的柔韧性外,还具有优良的力、电、热等性能,是用于开发新型高性能超轻超强复合材料和编织下一代具有储能、传感、通讯、信息交互等功能的智能织物优良材料之一。


中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所李清文课题组致力研究碳纳米管纤维多年,在碳纳米管纤维前驱体制备,纤维量化制备、纤维力学增强以及功能化应用等方面做了大量重要工作。碳纳米管纤维由上百万根纳米碳管以近平行的方式排列组装而成,它具有轻质、高强、高导电、高导热、结构柔性、大比表面积和表面可修饰性等诸多优异属性,在诸多领域具有重要的应用前景。近期,李清文课题组在国际著名期刊Advanced Materials发表文章,结合课题组多年来在碳纳米管纤维制备和应用方面的工作,对碳纳米管纤维在可穿戴电子器件和智能织物方面的研究进展进行了综述并对碳纳米管纤维在功能器件和智能织物方向的发展做了展望。


文章主要包括以下几方面:


1)碳纳米管纤维的制备方法,系统阐述了碳纳米管纤维的湿法和干法组装以及纤维量化制备现状;

2)碳纳米管纤维的力学和电学性能,总结了现有碳纳米管基纤维的力学性能和电学性能以及碳纳米管纤维弹性导体;

3)碳纳米管纤维器件和功能织物,主要涉及人工肌肉纤维、纤维电子器件织物、纤维储能器件(超级电容器、锂离子电池)以及纤维光伏电池等。


碳纳米管助力可穿戴技术突破瓶颈


最新消息称,在美国科技新闻网站Recode举办的第一次“Code大会”上,英特尔CEO科再奇等高管对外发布了一款可以检测身体健康状况的T恤,年内即将上市。从新版谷歌眼镜发布、苹果iWatch智能腕表和英特尔智能T恤即将上市等迹象来看,可穿戴电子产品将掀起下一个新科技浪潮。此外,为了解决可穿戴电子产品的电力供应问题,中国上海复旦大学的研究人员首次制备出基于碳纳米管(CNT)的纤维状全锂离子电池,其可被灵活地编织成具有高性能的柔性能源纺织品。在可穿戴新品密集发布、电池瓶颈得到突破的背景下,A股市场碳纳米管概念以及智能穿戴概念有望再掀炒作热潮。


中国科学家突破可穿戴电池瓶颈

从最近谷歌眼镜新品发布和苹果iWatch智能腕表即将上市来看,可穿戴电子产品正在掀起下一个新科技浪潮。不过,可穿戴式电子产品最大的技术瓶颈是电池,因为可穿戴式电子产品对电池的要求很高,不仅需要体积小、重量轻,还必须具备满足设备运行诸多功能所需的强大能量。


为了解决这类产品的电力供应问题,中国上海复旦大学的研究人员首次制备出了基于碳纳米管(CNT)的纤维状全锂离子电池,其可被灵活地编织成具有高性能的柔性能源纺织品。该研究成果发表在最新一期的《纳米快报》上。


据报道,此次复旦大学研究设计和编制的碳纳米管(CNT)复合纱线,可牢牢缠绕进棉纤维之中,创建出高性能的锂离子电池。该纤维的直径为1毫米左右,可以编织成柔性的织物或布料,并且与灵活的可佩戴电子设备兼容。


研究人员表示,锂离子电池使用铜线作为骨架,具有类似电缆的形状,但由于这种电池具有大直径、使用液态电解质,并且很重的特点,并不适合织成能源纺织品。而现在采用了碳纳米管纤维作为其骨架,密度接近铜的1/9,并使用凝胶电解质以确保安全性。此外,复合纱线的阳极和阴极由碳纳米管纤维,以及直径为100m,仅是电缆电池中阳极1/10的活性材料制成,因此这种纤维状电池与用于制衣的聚合物纤维兼容,实现了高性能的电池。


碳的表现形式之一是石墨烯,而碳纳米管就是一张石墨烯片卷起来形成的一个圆柱。碳纳米管的长度超过它的宽度1亿倍,并且能够比任何其他已知的圆柱形纳米结构都要大得多。这种特征非常适合设计处理器芯片这样的小物品。理论上说,碳纳米管制造的处理器能够比用目前的晶体管技术制造得更小。而更小的体积意味着消耗更少的能量,对于移动设备来说,就意味着更少的热量和更长的电池寿命。


目前,碳纳米管已经被应用于机器人(行情,问诊)手臂或飞机、汽车上活动部件的连接。去年清华大学魏飞教授团队曾制备出单根长度达半米以上的碳纳米管,创造了世界纪录,A股市场碳纳米管概念股的股价曾一度受到正面刺激。而此次中国科学家将碳纳米管应用于全锂离子电池,从而解决可穿戴产品的技术瓶颈,有望再次对A股碳纳米管概念相关个股带来提振。


智能穿戴风潮再起


在美国科技新闻网站Recode举办的第一次“Code大会”上,英特尔CEO科再奇等高管对外发布了一款可以检测身体健康状况的T恤,据称将于年内上市。


此款智能T恤主要的功能是身体健康监测,其中植入了英特尔研发的许多监测用传感器。这些传感器可以监测用户的心率、心电图等指标,还可以把大量采集的数据以可视化的方式提供给医生,从而判断穿着智能T恤者的身体状况。和所有的穿戴智能设备一样,这款智能T恤也可以和智能手机上的一款专用应用软件互相传输数据,用户可在手机上了解各种监控指标的变化。英特尔表示,在这款智能体恤的研发上,和一家名为AIQ的公司进行了合作,英特尔提供了监控芯片。按照计划,这款T恤将会在今年之内上市销售,首先面向自行车运动员和爱好者设计生产,不过也可以用来对医院病人以及老年人的身体健康进行监控。


美国媒体指出,在移动设备普及的大潮中,英特尔错失了移动芯片的宝贵商机,而被英国ARM公司抢占了市场。如今,穿戴计算和穿戴设备成为下一个新兴领域,英特尔的管理层也已经开始全面聚焦这一市场。


另外,苹果公司会在美国旧金山召开WWDC开发者大会。市场普遍认为,这是iwatch发布的最佳时机,有望引发全球对于智能生活的新一轮热潮。


分析人士指出,智能穿戴的目的是探索人和科技全新的交互方式,为每个人提供专属的、个性化的服务。智能穿戴设备是意义深远的一类科技设备,它将引领下一场可穿戴革命。作为前沿科技和朝阳产业,可穿戴设备是未来移动智能产品发展的主流趋势,将极大地改变现代人的生活方式,并拥有强大的产业成长空间,发展前景光明。


2014年全球ICT主要市场呈现疲弱状态,智能手机、平板电脑出货量增速预计都在20%上下,产值增速低于10%,PC市场趋于衰退,产业界将把目光与希望投向可穿戴装置。智能穿戴将真正把人体作为大数据时代的入口,将电子产品使用频率从分钟级提升至秒级,智能穿戴技术在硬件设备和软件应用方面发展的井喷已成必然。


另根据Businessinsider预测,目前全球可穿戴市场规模约为30-50亿美元,将在未来两到三年时间内,成长为300-500亿美元的巨大市场。随着4G和移动终端的普及,国内可穿戴市场也将迎来爆发性成长。