一、摘要
硫化锌电致发光纤维是智能穿戴柔性电子器件的核心组件，虽具备柔韧性佳、功耗低等优势，但需外部高频电源激发发光，限制了其在便携式、可穿戴交互领域的应用。本研究利用摩擦发电机将机械能转化为电能，受折纸结构启发设计的摩擦发电机最大输出电压 228 V、电流 22 μA、功率密度 0.4 W・m⁻²，经 50000 次压缩循环后性能仍优异。通过微流控纺丝技术制备出介电层与发光层同轴结构的硫化锌电致发光纤维，该技术可精准调控微结构。研究还提出新型能量管理电路，将摩擦发电机能量转化为高频交流电以驱动发光纤维，在摩擦发电机低输出下，纤维亮度仍可达 150.88 cd・m⁻²。最终研发出集成能量管理电路与摩擦发电机的自供能、高亮度硫化锌电致发光纤维，实现通过常规机械摩擦为发光纤维供能。
二、研究背景
现代技术推动下，纺织品突破传统遮体、保温功能，发光纤维凭借独特的发光特性、柔软性和可编织性，成为柔性智能穿戴领域的研究热点，已应用于消防、军工、海洋安全装备及服饰、家用、装饰面料等多个领域。电致发光是纤维在电场作用下的发光现象，电子受电场作用形成热电子，碰撞产生电子 - 空穴对，电子从激发态回到基态时发光。电致发光材料涂覆在基底表面，经电流或电场激活实现纤维发光，按发射原理可分为电致、光致、热致和力致发光纤维。其中电致发光纤维响应速度快，兼具柔韧性与发光特性，基于其制备的可穿戴纺织器件更贴合人体轮廓，在柔性电子纺织领域潜力巨大。
无机发光材料硫化锌具备储存简便、成本低的优势，同轴结构的硫化锌电致发光纤维在高频交流电作用下发生电子跃迁并发光，仅在高频高压条件下可被激发发出蓝光，且亮度随电压升高而提升，发光过程无热产生，属于 “冷光源”，其柔韧性与发光性结合的特点使其在弯折状态下性能仍稳定。然而，硫化锌电致发光纤维与其他穿戴电子组件集成于纺织品时，需外部高频电源激发，面临可持续能源供给和多功能集成的挑战，传统能源方案难以满足穿戴需求，单一功能的发光纤维也无法适配穿戴设备的视觉要求。
目前关于硫化锌电致发光纤维自供能方案的研究较少，现有研究多聚焦于摩擦发光，如将硫化锌：铜荧光粉分散在聚二甲基硅氧烷中制备的可拉伸电致发光纤维，在拉伸、扭转等机械力作用下发光，无需外部电源，亮度约 120 cd・m⁻²，但这类材料仅能激发硫化锌荧光粉发出绿光，且需持续的机械作用，发光与外部刺激直接相关，无刺激则停止发光，难以应用于需储能或无刺激交互的场景。摩擦发电机的出现推动了能量收集技术发展，其可将机械能收集与发光纤维、显示器结合，实现自供能电致发光器件，且具备质轻、易组装、材料成本低等优势，在自供能系统、穿戴小型电子器件、物联网信号领域应用广泛，在收集人体机械能方面更具实用性。当前摩擦发电机输出电压可达数千伏，但因内阻较高，输出电压、电流偏低且频率受限，无法直接驱动硫化锌电致发光纤维实现高亮度发光。
三、研究内容
本研究针对摩擦发电机驱动硫化锌电致发光纤维的痛点，通过三步核心策略解决问题：一是制备自供能摩擦电源，利用聚四氟乙烯和铜箔制作折纸结构摩擦发电机，实现 225 V 开路电压、22 μA 最大电流和 0.4 W・m⁻² 功率密度；二是优化硫化锌电致发光纤维设计，通过添加钛酸钡介电层、优化硫化锌发光层成分比例，实现低驱动电压下的高亮度，最终获得亮度达 150.88 cd・m⁻² 的纤维；三是设计能量管理电路，将收集的摩擦电能转化为高频高压交流电以激发纤维。研究采用改进的微流控纺丝技术，在镀银尼龙纱线上精准涂覆介电层与发光层制备发光纤维，结合储能器件和开关控制，使系统成为可穿戴自供能显示器件，还能实现非实时可控的显示效果，该技术可将外界机械运动转化为电能，在人机交互、智能标识、自供能传感系统领域具备多元应用价值。
四、结果讨论
（一） 硫化锌电致发光纤维的形貌结构
采用改进微流控纺丝技术制备硫化锌电致发光纤维，通过精准构建同轴结构提升其光学性能。纤维截面呈层状结构，核心为镀银导电尼龙纱，外层依次为钛酸钡介电层（厚度约 100 μm）和硫化锌发光层，各层结合紧密，为电荷高效注入和复合提供良好界面，钛酸钡与硫化锌颗粒边界清晰，是高效发光的基础。钛酸钡在低频下相对介电常数达 10²~10³，介电击穿强度为 10⁷ V・m⁻¹，本研究中其电场远低于击穿极限，介电响应稳定，可重新分布多层电容结构的电场，提升相邻发光区的局部电场。热塑性聚氨酯的分子结构赋予纤维优异的柔韧性和弹性，能实现柔性缠绕。能谱分析表明，银集中在核心形成连续导电层，既是基底也是初始电极，钛、钡元素在介电层富集，锌、硫、铜元素在发光层均匀分布，铜、银离子在硫化锌层均匀掺杂无聚集，成为发光中心并有效激活硫化锌的电光性能。
（二） 硫化锌电致发光纤维的发光性能
在 5 kHz 交流电不同有效值下测试纤维发光性能，其在 50~200 V 电压下均以 450 nm 为主要发射波长，呈现蓝光特性，且电压高于 100 V 时主发射峰稳定；亮度随电压升高而提升，在 141 V、5 kHz 条件下达到最大值 150.88 cd・m⁻²。摩擦发电机直接激发纤维发绿光，经能量管理电路激发后发出高强度蓝光，验证了电路与摩擦发电机结合的有效性。纤维的断裂应力较镀银尼龙纱提升 31.3%，同轴结构增强了其机械强度；经弯折、反复洗涤循环测试后，发光性能仅轻微衰减，且可在水环境中正常发光，具备良好的耐水洗性和防水性。
纤维发光颜色随激发频率从绿向蓝转变，最优发射频率为 5~10 kHz。硫化锌为直接带隙半导体，银掺杂形成的发光中心在高频下实现 450 nm 蓝光发射，铜掺杂则在低频（＜1 kHz）下实现 510 nm 绿光发射。发光强度随频率先升后降，20 kHz 时因载流子注入、加速和捕获时间不足，发光强度下降但发射峰位置不变。激发频率从 1 kHz 升至 10 kHz 时，发射峰从 505 nm 蓝移至 450 nm，低频下发光强度显著低于高频，原因是高频提升了载流子加速能力和能量获取量，且高频使电场振荡周期短于深陷阱态响应时间，浅能级相关的辐射复合成为主导，实现光谱蓝移。
（三）摩擦发电机的机制与输出性能
本研究制备的宽摩擦发电机由四个摩擦发电机并联而成，经电晕处理提升负摩擦层表面电荷密度，以聚四氟乙烯为负摩擦层、铜箔为正摩擦层，接触时聚四氟乙烯得电子、铜箔失电子，分离时静电感应使电子在外部电路往复流动，产生交流电。COMSOL 仿真显示，摩擦层分离时交流有效电压最大达 141 V，与实测值高度匹配。3 N 压力下，摩擦发电机开路电压随频率升高至 228 V 达峰值，10 MΩ 负载下 5.6 Hz 时电流为 6 μA；经 50000 次压缩循环后，电压仍保持稳定，耐久性优异。摩擦发电机可通过桥式整流器为不同电容充电，负载电阻在 10³~10⁹ Ω 范围内时，电压随电阻升高而增大，电流逐渐降低，在 5.6 Hz、3 N 条件下功率密度达 0.4 W・m⁻²，经桥式整流后可为多数小型电子器件供电。但空气中的水蒸气会导致摩擦层表面电荷损失，降低器件性能，提升表面电荷并防止电荷损失是其性能优化的重要方向。
（四） 摩擦发电机系统激发的硫化锌电致发光纤维
摩擦发电机直接驱动硫化锌电致发光纤维时，因工作频率低、激发能量不足，仅能发出绿光且亮度极低。本研究引入含桥式整流器和电容的能量管理电路，将摩擦发电机的交流电转化为直流电储存于电容，当电容电压超 3 V 时触发开关，利用晶体管和变压器的自振荡原理，将储存电能转化为交流信号，经升压变压器放大后产生足以激发纤维的高压交流电，显著提升发光强度。不同电容值可延长纤维发光时长，在相同机械激发下，经能量管理电路放大后的输出使纤维亮度较摩擦发电机直接激发提升近 140 倍，且纤维亮度随驱动电压升高呈渐进式增强，为摩擦电供能的自维持电致发光纤维奠定基础。
（五）基于硫化锌电致发光纤维的视觉交互
基于宽摩擦发电机的自供能硫化锌电致发光纤维可应用于可穿戴设备及各类机械能收集场景。在智能道路中，车辆轮胎的循环压缩可为宽摩擦发电机供能，多组器件并联组成的汽车能量收集系统将交流电转化为直流电储存，为交通信号灯、安全警示标识、测速系统供电，且充电速率与交通流量正相关。集成于穿戴衣物时，纤维可编织成 “WARNING” 等警示符号，行人行走时的机械能经宽摩擦发电机转化为电能，再经能量管理电路放大为高频交流电激活纤维，通过开关控制实现非实时供电，可为智能驾驶汽车提供警示。
智能驾驶系统中，视觉传感器可识别行人穿戴的自供能显示符号，并投射至驾驶员挡风玻璃，提升智能驾驶的安全性。将纤维绣成 “STOP” 图案，在明亮和黑暗环境中均清晰可辨，视觉对比度和可读性良好，适用于视觉标识领域。此外，纤维在水下具备优异的发光显示和识别性能，为深海环境的视觉交互拓展了应用潜力。
五、总体结论
本研究成功研发出由摩擦发电机供能的硫化锌电致发光纤维，结合宽摩擦发电机实现自维持发光。通过改进的微流控纺丝技术，在镀银尼龙纱线上精准涂覆钛酸钡介电层和硫化锌发光层，该纤维在宽摩擦发电机提供的 141 V、5 kHz 交流电驱动下，亮度达 150.88 cd・m⁻²，且保持良好柔韧性，适配穿戴电子器件。以聚四氟乙烯为负摩擦层、铜箔为正摩擦层的折纸结构摩擦发电机，输出电压 228 V、负载电流 22 μA、最大功率密度 0.4 W・m⁻²，可驱动小型电子元件，经 50000 次压缩循环后电压输出仍稳定。
研究通过桥式整流器将摩擦发电机输出电能为电容充电，再经能量管理电路转化为高压交流电激活硫化锌纤维，该技术可通过足底压力为可穿戴显示器、智能驾驶标识识别系统供能，还可构建智能道路能量回收系统，收集车辆行驶产生的机械能，为交通系统的信号灯、广告标识等供电，实现环境中废弃机械能的收集与能源节约，同时为视觉交互和穿戴技术领域拓展了新的应用潜力。
六、图文概览
图 1、硫化锌电致发光纤维的制备工艺示意图及摩擦发电机示意图；
图 2、硫化锌电致发光纤维的扫描电镜图像和元素分析结果。(a-f) 不同放大倍数下硫化锌电致发光纤维的扫描电镜横截面图像；(g) 光学显微镜下硫化锌电致发光纤维的打结形貌；(h-o) 能量色散 X 射线光谱元素分析结果；
图 3、硫化锌电致发光纤维的发光性能。(a) CIE 色度坐标；(b) 不同电压下硫化锌电致发光纤维的波长分布；(c) 光强曲线；(d) 摩擦发电机和能量管理电路激发的电致发光纤维实物图；(e) 硫化锌电致发光纤维的断裂伸长特性；(f) 不同频率激发下电致发光纤维的颜色变化图；(g) 硫化锌电致发光纤维的发光机制；(h) 硫化锌电致发光纤维的光强 - 频率关系图；(i) 高频（千赫兹）激发的发射光谱；(j) 低频（赫兹）激发的发射光谱；(k) 不同频率激发产生的电致发光的 CIE 色度坐标；
图 4、摩擦发电机的结构设计和输出性能。(a) 宽摩擦发电机的示意图及摩擦发电机的制备工艺图；(b) 摩擦发电机的工作原理示意图；(c) COMSOL 多物理场仿真图；(d) 频率 - 电压关系图；(e) 频率 - 电流关系图；(f) 循环压缩次数与电压的关系图；(g) 不同电容的充电时长图；(h) 电压 - 电流 - 电阻关系图；(i) 功率密度 - 电阻关系图；
图 5、摩擦电高频激发的硫化锌电致发光纤维。(a) 宽摩擦发电机直接驱动硫化锌电致发光纤维的电路图；(b) 宽摩擦发电机直接驱动硫化锌电致发光纤维的实物图；(c) 能量管理电路图；(d) 宽摩擦发电机激发与能量管理电路激发硫化锌电致发光纤维的对比图；(e) 不同电容值与发光时长的关系图；(f) 宽摩擦发电机激发与能量管理电路激发的硫化锌电致发光纤维光强对比图；(g) 不同电压下电致发光纤维的实物图；
图 6、基于硫化锌电致发光纤维的视觉交互。(a) 智能道路概念图；(b) 行人与车辆经过铺设宽摩擦发电机的道路示意图；(c) 汽车能量收集系统示意图；(d) 行人穿戴能量收集系统示意图；(e) 智能驾驶系统示意图；(f) 不同光照条件下 “STOP” 字样的发光图；(g) 绣有 SOS 标识的电致发光纤维在水中的发光图。
七、作者信息
Zhenbo Yang, Chaoyu You, Xili Hu*, Mingwei Tian, Lijun Qu, Xueji Zhang*
Xili Hu*
Cancer Institute, The Affiliated Hospital of Qingdao University, Research Center for Intelligent and Wearable Technology, College of Textiles and Clothing, Qingdao University, Qingdao, P. R. China
Xueji Zhang*
School of Biomedical Engineering, Shenzhen University Health Science Center, Shenzhen, P. R. China
八、论文链接
https://doi.org/10.1002/adfm.202530370
九、版权声明
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