刚刚!嫦娥五号晒出“挖土”工作照

来源: 南方日报网络版     时间: 2021年05月06日 16:36

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    原标题:“能源衣”来了!东华大学研究团队研发出“可发电”的服装材料

    可穿戴电子产品、能源产品是最近几年科技界探索的重点,袖子上的手机、宇航服上的自助生命系统……人们在科幻片上看到的,正走向真实的生活。近日,东华大学材料学院王志宏教授课题组在这一领域又取得突破,团队研发出了一种“可发电”的服装材料,使真正的“能源衣”成为现实。

    随着可穿戴电子设备的快速发展,人们对可穿戴能源的需求逐渐增大。由于传统电池存在缺乏柔韧性、不可拉伸、难以编织等局限性,柔性随身能源材料与器件发展获得了大量关注。但是,目前可穿戴电源的研究多数展示了“佩戴”形式的能源器件,其主要作为服装的附加品,仍缺乏穿着舒适性。相比之下,服装本体如果成为现成的物理载体,是更为理想的可穿戴功能集成平台。

    鉴于此,研究团队认为纤维、纱线、织物等服装材料将成为新一代发电载体。然而,成熟的发电技术,如光伏、热电、压电/摩擦电等,与服装材料和纺织工业的结合尚存在挑战。目前能源纺织品难以规模化生产,能源器件的性能易受环境湿度影响,而且尚缺乏利用单根纱线实现发电的技术。因此,“能源衣”的开发一直困难重重。

    在实验中,研究人员利用工业级的纺丝设备,实现了可拉伸摩擦发电纱线的连续化与规模化生产。此类发电纱线由高弹性聚合物材料(橡胶)与螺旋金属纤维构成,这两类本征弹性体与非本征弹性体,通过皮芯结构的设计合二为一,具有协同应变行为。发电纱线在拉伸、弯曲、扭曲等应变下,内部两类材料间发生电子转移,可产生毫瓦级的输出功率。

    研究人员深入探讨了金属与非晶聚合物接触/分离的单电极势阱模型,发现非晶聚合物不仅作为隔离层防止纱线内场电势被外界环境气氛(气体、水等)消除,其界面的感应电荷竟能够与外界气氛分子发生耦合增益,由此首次提出了摩擦发电器件的电势/极化耦合效应的假设。借助特殊的皮芯结构设计与耦合增益发电机制,研究团队研发的发电纱线无需借助与其他物体的相互作用即可自发电,并能够应用于不同气氛环境甚至是液体中。

    在此基础上,研究人员使用工业级的织样机将发电纱线进行编织,得到了具有弹性的发电织物,其同样具有两栖工作的能力。研究还同时发现,发电纱线亦可与其他市售纤维如尼龙纤维、聚丙烯腈纤维等共同编织,纺织品的透汽性、舒适性、发电功率便可有效调控。现在,研究人员已经可以穿着发电织物制成的“能源衣”,展示其为电子设备锂电池充电、驱动无线信号传输系统、捕捉人体运动姿态等功能。

2月19日,浙江省交通厅网站发布一则消息称,目前,《新建宁波至舟山铁路勘察设计招标书》已在网上发布,甬舟铁路工可报告预计下半年批复。

甬舟铁路设计全长77公里,设计时速250公里,跨越金塘、西堠门等水道。其中,最引人关注的是北仑至金塘段,将采用隧道形式过海。公开报道显示,该隧道全长16.2公里,其中海底盾构段长10.87公里,将是国内设计最长、承受水压最高(可达1.0MPA以上)的水下高铁盾构隧道。

这条国内设计最长的海底隧道,将面临什么地质海域情况、需要哪些技术、安全如何保证?目前国内外最好的过海跨江隧道技术是什么?21日,科技日报记者采访了北京交通大学土木建筑工程学院院长张顶立教授。

“建16.2公里海底高铁隧道,我们有技术积累。”张顶立说,我国目前已建成的和在建的城市及水下铁路隧道总长达230公里,后续拟修建城市及水下铁路隧道达300公里。

以全长6.7公里的港珠澳海底隧道、世界首座设计时速350公里高铁狮子洋水下隧道和世界最深的水下70米南京扬子江隧道为代表,我国水下隧道沉管和大盾构技术为水下通道建设提供了坚实的技术支撑。其中狮子洋隧道于2011年建成,全长10.8公里,时速目标值350公里,3次穿江越洋。狮子洋隧道水面宽3300米,水深达26.6米,为珠江航运的主航道,设计水压达0.67MPA,是国内首次在软硬不均的岩层中采用大直径泥水盾构长距离掘进。

“狮子洋隧道为目前国内已建成的最长、标准最高的水下高铁隧道,同时也是世界上速度目标值最高的水下隧道。”张顶立说,狮子洋隧道的建成,破解了长距离掘进中盾构设计与配置、地下防坍和控制变形、特殊环境下结构耐久性、水下隧道防救灾等9项重大技术难题,填补了我国泥水加压平衡盾构机施工多项技术空白,也标志着我国长距离水下铁路隧道的施工和科研取得了重大突破。

正因为有了狮子洋隧道的成功建设,我国海底高铁隧道设计施工已有成熟的技术累积,使甬舟铁路线上的16.2公里海底隧道工程得以实现。

对人们最关切的海底隧道最大的安全标准,张顶立表示,目前国内技术已经可以做到抗震设计可抗7级,抗爆可抵御5公斤炸药冲击,抗洪设计可满足300年一遇洪水水位下河道的冲刷变形对隧道的影响。“狮子洋隧道防水,就采用了双道密封条,可防渗防漏,满足100年耐久性要求。此外,隧道内设计的19条逃生横通道,可以有效应对火灾、火车意外撞击等事故发生时人员的安全撤离。”张顶立说。

据介绍,甬舟铁路北仑至金塘段水面宽8400米,水深42米,设计水压达1.25MPA。“按照这个参数和设计标准,以我们已建成的狮子洋隧道所应用的技术,应该有较高的技术把握。”张顶立认为。

资料显示,目前全世界已建成和计划建设的海底隧道有20多条,主要分布在日本、美国、西欧、中国等国家。从工程规模和现代化程度上看,当今世界最有代表性的跨海隧道工程,有英法海底隧道、日本青函隧道和对马海峡隧道,以及我国的港珠澳沉管隧道和广深港高铁狮子洋隧道。



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