同轴结构具有其自身的独特性，用作智能材料时传输效率高，应用潜力大。目前纱线纳米发电机主要工作机理是通过与其他织物或者材料的接触－分离，使电荷转移，从而达到将机械能转化成电能的目的，因此对于器件的结构有着较高要求，而同轴结构纱线中的核壳结构和编织结构纱线多变的结构恰好为此提供了新思路。

核壳结构

核壳结构是传统纺织纱线中的常见结构，可以兼具核、壳两种材质的优点。基于核壳结构的纱线在柔性传感方面具有良好的线性、低滞后性、高稳定性和大传感范围，但灵敏度有限。如今越来越多的学者将核壳结构纱线应用在能量收集领域，其能够在多种高效材料间创造协同作用，以实现集体性能，并增强对所需性能的可调性，为纳米发电机提供更高程度的多样性、复杂性和灵活性。

在摩擦式纳米发电机（TENGs）中，核壳结构通常被设计为导电芯纱和绝缘外壳结构，研究人员将硅橡胶涂覆在不锈钢纱线的外层作为摩擦电材料，然后将核壳结构的纱线以“蛇形”缝在弹性织物上，所获得的TENG可以承受高达100%的应变。在工作过程中，皮肤与硅橡胶之间的接触和分离将在皮肤表面和硅橡胶表面之间传递电子，当外部负载电阻约为 1 MΩ时，瞬时输出功率的峰值为14 mW。但是这种材质的纱线缺点也很明显，如作为可穿戴产品舒适性、透气性不够，因此，选择具有优越的导电性、灵活性和机械强度的电极材料至关重要。

编织结构

研究者在核壳结构的基础上对其进一步改进设计，在芯纱上包裹或编织具有独特结构的纱线，这种纱线内部结构更为复杂，在柔性传感、能量采集和生物运动传感方面引起了广泛关注。

有研究报道了一种可大规模制备核壳结构TENG的方法，当高速编织机工作时，聚偏氟乙烯（PVDF）纱线被分为顺时针和逆时针两组，并在中央导电纱线上交叉编织。通过将PVDF纱线编织在镀银锦纶纱线表面，可以连续制备厚度均匀的摩擦电纱线，选择的镀银锦纶纱线兼具灵活性、缝合性和优良的导电性。这种纱线可以编织成一块完整的针织物，具有坚固的结构、高抗拉强度和优异的电气输出性能，而且可清洗。更重要的是，该独立摩擦电纱线可以进一步集成到不同结构的智能织物中，以实现能量收集和自驱动传感功能。

通过纺丝、涂层、编织等技术，研究者设计开发了一种核壳结构涂层纱线基摩擦电纳米发电机（CSCY-TENGs），且实现了完全连续生产。该方法采用纺丝技术，以镀银锦纶纱（SNY）为芯，以绝缘棉纤维为外壳，形成以SNY为电极、棉纤维为基础材料的包芯纱，然后用锦纶和掺杂聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为正负摩擦电材料，通过编织技术实现分层CSCY-TENGs。CSCY-TENGs具有耐洗性并兼容工业规模的制造。此外，其输出电压为174 V，峰值功率密度和平均功率密度分别为275和57 mW/m2。结果显示，CSCY-TENG可以为各种商用电容器和低功率电子设备充电，还可以用于防盗报警地毯、具有生物运动监测和能量采集功能的鞋子等。

更多内容，请关注本刊2024年第4期《纱线基智能可穿戴设备的几何结构设计研究进展》一文。