隨著人工智能快速發展，紡織品被賦予傳感、顯示等新功能，但其穩定運行依賴持續能源供應。現有動力紡織品常將纖維狀超級電容器、太陽能電池等柔性電源集成到織物中，但受限于陽光、溫度梯度等外部因素，且多層堆疊結構導致穿著舒適性差、機械穩定性低、透氣性不佳，反復洗滌還會破壞電學性能。盡管摩擦納米發電機（TENG）具有輕量、低成本優勢，傳統設計仍需復雜多層結構，靜電擊穿現象更制約了功率密度提升。

中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士、王杰研究員、劉迪團隊提出一種基于界面靜電擊穿效應的單層動力紡織品。該設計僅需在普通織物中嵌入單根導電纖維（c-fiber），即可高效收集人體機械能，同時保持穿著舒適性。其功率密度達0.4 W/m2/Hz（人體擺臂時），較現有產品提升近2倍，并產生6 kV安全高壓，兼具空氣凈化與抗菌功能。織物經1萬次工作循環、20次洗滌或汗液浸泡后，性能依然穩定。研究還建立了包含64種紡織材料對的摩擦電序列表，為規模化應用提供指導。相關論文以“A Multifunctional Power Textile Based on Interfacial Electrostatic Breakdown”為題，發表在Advanced Functional Materials。

顛覆性設計解析

傳統動力紡織品依賴多層堆疊或核殼纖維結構（圖1a左），不僅笨重僵硬，還阻礙濕氣交換。新方案將導電銀鍍尼龍纖維直接縫入棉織物（圖1a右），形成單層結構（圖1b）。其核心創新在于利用織物摩擦時界面產生的靜電擊穿效應：當聚四氟乙烯（PTFE）織物與棉織物滑動摩擦時，電荷在界面擊穿放電（圖1c），導電纖維通過靜電感應捕獲能量（圖1d）。這一機制突破傳統TENG的靜電擊穿限制，輸出電荷達100 nC，同時高壓放電產生微等離子體釋放負離子（圖1d）。以皮革-聚氨酯涂層織物為例，平均功率密度達0.4 W/m2/Hz（圖1e），遠超同類產品。

圖1. 設計的單層動力紡織品的結構與性能。

舒適性與耐用性驗證

單層設計完整保留紡織品固有特性（圖2a）。對比實驗顯示：嵌入導電纖維的棉織物（c-fiber cottex）透氣性達621 mm/s，透濕性211 g/m2/h（圖2c,d），與普通棉織物相當；抗壓與抗拉伸性能無衰減（圖2e,f）；經20次洗滌后電荷保持率超95%，電鏡觀測顯示纖維結構完好（圖2g）。川端評價系統證實其滿足人體運動需求，徹底解決多層織物悶熱、僵硬問題。

圖2. 單層動力紡織品的綜合性能。

電學性能優化

團隊系統測試了織物參數影響：三種基礎編織結構（平紋、斜紋、緞紋）輸出性能無顯著差異（圖3a）；編織密度變化幾乎不影響發電（圖3b）；柔性導電纖維比金屬絲電極更易集成（圖3c）；纖維直徑優選0.1 mm（接近棉纖維）以提升摩擦效率（圖3d）。關鍵發現是導電纖維縫于織物表面時，輸出電壓比內置位置高40%（圖3e-g），因更接近電荷源。此外，單層紡織品經萬次循環后性能穩定（圖3h），且輸出電流隨運動頻率增加而提升（圖3i）。

圖3. 單層動力紡織品的電學性能。

材料庫與抗菌功能

研究建立包含皮革、涂層織物等64種材料對的摩擦電序列（圖4），輸出電荷跨度達10-122 nC，為應用提供選材指南。獨特的高壓特性還帶來健康益處：工作時負離子濃度達2840萬離子/cm3（環境空氣僅260離子/cm3）（圖5b）。實驗證明，這些負離子可顯著降低PM2.5濃度（圖5a），對大腸桿菌的抑菌率達48.14%（圖5c,d），通過破壞微生物遺傳物質實現殺菌（圖5a）。

圖4. 使用單層動力紡織品發電的常見紡織材料對的摩擦電序列。

圖5. 單層動力紡織品的抗菌效應。

人體應用展示

在實際慢跑測試中（圖6a），即使汗液分泌率達0.54 mL/min/cm2（圖6b），縫于腰部的導電纖維仍穩定輸出110 nC電荷（圖6c）。該紡織品可直接驅動警示燈（圖6d），或通過電源管理電路（PMC）為電子表、溫濕度計供電（圖6e）：充電3秒即可支持手表運行65秒（圖6f）。團隊據此構建自供電系統（圖6g），實現運動數據監測與環境感知，為戶外場景提供便攜能源。

圖6. 單層動力紡織品的人體評估。

結語與展望

這項研究開創性地利用界面靜電擊穿效應，以單層結構解決動力紡織品舒適性與高性能的矛盾。其安全高壓特性拓展出空氣凈化和抗菌新功能，配合量化材料數據庫，為大規模生產鋪平道路。未來通過集成柔性電路與傳感器，該技術有望推動自供電健康監測、人機交互系統發展，重塑智能紡織品應用范式。

來源：高分子科學前沿

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