文章出处：“纳米发电机”公众号
研究背景
近年来，国内外火灾频繁发生，对人们的生命和财产安全产生巨大的威胁，也给消防救援带来了极大压力。消防员身处火灾环境中需要面临诸多危险。虽然目前已经开发出多种高性能阻燃材料并已应用于消防服领域，但目前的研究主要致力于提高材料的阻燃及隔热等性能。而火灾环境极为复杂，消防员需要面临多种危害，例如建筑物在燃烧后倒塌极易对消防员造成冲击伤害。如何有效降低高温火焰和动态冲击等对消防员造成的伤害并监测消防员的健康状况，提高救援效率是一项重要的研究课题。
文章概述
该工作基于剪切变硬胶体材料，研制了一种具有优良阻燃和抗冲击防护效应的柔性复合材料。碳纳米管和尿素的协同作用显著提高复合材料的阻燃级别（V-0级），且锥形量热测试结果表明复合材料的热释放速率峰值下降了29.1%。基于此，设计了一款具有阻燃和抗冲击效应的可穿戴纳米发电机。该器件可有效捕获外界机械能并转化为电能，其最大输出功率为57.3 μW，可有效驱动小型电子器件，同时实时监测外界多种激励。此外，在经历104次加载-卸载过程中，该器件对外输出电压稳定良好，具有较好的实用性。
更为重要的是，该阻燃纳米发电机具有优良的抗冲击吸能效应。落锤冲击测试结果表明该器件可抵御低速冲击载荷，最大可耗散92.6%冲击动力，同时保证器件结构不受致命破坏。此外，器件经高温（250 ℃）、直接火焰燃烧（20 s）及刀割破坏后仍然具有稳定的摩擦电效应和抗冲击性能，显示出了良好的力-热-电耦合性能。最后结合蓝牙模块，开发了一款可穿戴救援系统，可有效提高火灾被困人员的搜救效率，为消防员的安全和救灾带来更多保障。该文章为中国科学技术大学龚兴龙教授课题组在《Nano Energy》上发表。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107634
图文导读
图1. 阻燃型复合材料的制备过程
通过将碳纳米管和尿素引入到剪切变硬胶材料中，研制了一种具有抗冲击和阻燃性能的复合材料（图1a），该柔性复合材料显示出了典型的剪切变硬效应，其储能模量随着外界剪切频率的增加而增大（图1b, c）；且碳管的引入赋予了材料导电性能（图1d）。
图2. 复合材料的阻燃性能表征
纯剪切变硬材料极易燃烧，而在碳纳米管和尿素的协同作用下，复合材料具有良好的阻燃效应，即使长时加载火焰也难以燃烧；经过优化的复合材料燃烧级别达V-0（图2b）。
图3. 阻燃纳米发电机的摩擦电性能测试
基于阻燃剪切变硬材料开发了一种抗冲击阻燃型纳米发电机，其表现出了良好的发电性能，最大输出功率为57.3 μW（图3d），可点亮LED灯和驱动电子表工作；且器件在经过104次加载-卸载激励后仍然能稳定输出电压信号，具有良好的力-电稳定性能（图3e）。
图4. 阻燃纳米发电机燃烧后的摩擦电性能
此外，阻燃纳米发电机能经历高温、火烧和刀割破坏后能快速愈合（图4e）其输出电压信号保持稳定。由于高温加快电子运动，经过250 ℃的高温处理后，该纳米发电机的摩擦电信号从初始的22.7 V增加到了28.1 V（图4h）。
图5. 落锤抗冲击测试
该纳米发电机能够吸收和耗散大量冲击动能，最大冲击力耗散率达92.6%（图5c），且其输出电压信号随着外界冲击力的增加而增大，该信号可用于感知评估外界冲击力大小，同时器件在不同温度环境下仍表现出了良好的冲击防护效应，可应用于多种复杂环境。
图6. 燃烧后纳米发电机的抗冲击性能
特别地，该纳米发电机经过明火燃烧，其依然拥有优异的抗冲击性能。在经过刀割破坏后，这一性质几乎没有改变（图6g）。
图7. 蓝牙报警实验演示
最后，结合蓝牙模块，开发了一款可穿戴式救援系统，该系统能及时输出纳米发电机产生的电信号并报警求救，且即使收到刀割（图7c）和明火燃烧20秒（图7d）破坏后，其电学性能仍然不会衰减，并继续报警，保证其在安全防护和消防救援等领域的有效应用。
视频S1
视频S2
总结
综上所述，该工作提出了一种具有抗冲击和阻燃效应的摩擦纳米发电机，其在承受20 s火焰燃烧和刀割等多种极端破坏后仍能正常工作，因此在安全防护和火灾救援等领域具有广阔的应用前景。
论文的第一作者为中国科学技术大学工程科学学院博士研究生陈红，通讯作者为中国科学技术大学工程科学学院龚兴龙教授和王胜副研究员。该研究得到了该研究得到了国家自然科学基金、国家“双一流”专项资金的资助和支持。