高性能压电纤维传感器助力自供电传感系统，可实时监测山体滑坡
2025-10-26 21:42:41   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，近期，韩国大邱庆北科学技术研究院（DGIST）能源与环境技术系Sang Kyoo Lim带领的研究团队，研发出一种可以实时监测山体滑坡等自然灾害的智能压电纤维传感器，其核心部件新型压电纤维，依托压力发电的压电技术，结合三维（3D）结构设计，显著提升了性能，为无需外部电源即可运行的自供电传感系统的实现奠定了基础。相关研究成果以“Double Raschel-Structured Fabric Based on SnTiO₃ Nanorod-Embedded 8-Petal Cross-Section PVDF Fibers for an Advanced Disaster Warning System”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。

压电纤维在受压或弯曲时会产生电能，该材料已应用于可穿戴设备、智能传感器及能量收集装置中。但是，传统的纤维结构存在多层空气间隙，限制了功率输出。该研究团队研发出一种新型纳米材料——钛酸锡（SnTiO₃）纳米棒（NR），并以聚偏二氟乙烯（PVDF）为基材，将其制成压电纤维。

提高压电纤维性能的策略

所制备的PVDF压电纤维的横截面形状：a) 圆形；b) 六瓣形；c) 八瓣形；d) 四十字形。

研究人员确定了影响PVDF压电纤维性能的关键因素，并重点优化了纤维横截面形状，特别是八瓣形结构。通过特殊编织工艺，PVDF压电纤维被编织成具有两层重叠结构的三维双拉舍尔织物。在这种结构中，压电纤维间形成的空气层能够有效吸收冲击力、传递压力并放大信号。

研究结果显示，在5cm × 5cm的压电纤维传感器区域施加1 N/m²的压力时，其可产生高达92.8 V的电压和4.13 mA的电流——无需外部电源即可点亮22盏LED灯。该电能同样足以驱动日常传感器系统或小型电子设备，这表明仅通过调整压电纤维结构，即可大幅提升其性能。

值得注意的是，这种压电纤维的输出功率可达传统平面结构的两倍以上，充分彰显了其在高性能智能压电传感器方面的巨大应用潜力。

该研究团队还利用这种压电纤维研发出一套基于蓝牙技术的山体滑坡实时监测系统，该系统无需外部电源即可运行，能实现外力监测与数据无线传输，其应用范围广泛，既可以用于灾害预警（例如监测暴雨引发的山体滑坡等灾害迹象），也能用于健康监测与运动记录等场景。

Lim Sang-kyu博士表示：“我们已明确能够提升压电纤维性能的‘结构性因素’与‘非结构性因素’。该研究可为智能传感技术的发展提供支持，进而实现对暴雨引发的山体滑坡等各类灾害的‘提前应对’。”

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202504271

延伸阅读：

《压电式微机械超声换能器（PMUT）期刊文献检索与分析-2022版》

《传感器技术及市场-2024版》