I. مقدمه

تکنولوژی پوششی به بخش جدایی ناپذیر از زندگی مدرن تبدیل شده است، با دستگاه‌هایی از ردیابندهای فیتنس و ساعت‌های هوشمند گرفته تا عینک‌های réalیت افزوده و وسایل پوششی نظارتی پزشکی. این دستگاه‌ها برای پوشیدن بر بدن طراحی شده‌اند، اغلب در محیط‌های challengingenvironments که نیاز بالایی را به پایداری قطعات آن‌ها می‌گذارد. قطعات تکنولوژی پوششی باید در برابر استرس مکانیکی، عوامل محیطی مانند رطوبت و تغییرات دما و استفاده مکرر در طول زمان مقاوم باشند. در سال‌های اخیر، رویکردهای نوآورانه‌ای برای افزایش پایداری این قطعات به وجود آمده‌اند که طراحی و عملکرد دستگاه‌های پوششی را متحول کرده است. این مقاله به این رویکردهای نوآورانه می‌پردازد، به فناوری‌های اساسی، تاثیر آن‌ها بر طول عمر قطعات و چالش‌ها و رویکردهای آینده در این حوزه در حال تکامل می‌پردازد.

II. نوآوری‌های ماده برای پایداری
A. پلیمرهای پیشرفته
پلیمرهای با استحکام بالا و انعطاف پذیر
پلیمرها به دلیل ماهیت سبک و چند منظوره بودن در قطعات تکنولوژی پوششی به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. با این حال، پلیمرهای سنتی اغلب به پایداری لازم برای شرایط سخت که دستگاه‌های پوششی ممکن است مواجه شوند، ندارند. در پاسخ به این، پلیمرهای پیشرفته توسعه داده شده‌اند. به عنوان مثال، پلی urethane‌های termoplastics (TPUs) با خواص مکانیکی بهبود یافته به طور فزاینده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند. TPUs انعطاف پذیری روبرها را با قابلیت پردازش پلیمرهای termoplastics ترکیب می‌کنند. آن‌ها می‌توانند کشش و خم شدن قابل‌توجهی را بدون تغییر شکل دائم تحمل کنند و برای قطعات مانند باندها و پوشش‌های ساعت‌های هوشمند و ردیابندهای فیتنس، идеال هستند.
تحقیقات بر روی اصلاح ساختار مولکولی TPUs برای بهبود بیشتر استحکام و مقاومت در برابر ساییده شده است. با معرفی مونومرها یا افزودنی‌های خاص، دانشمندان توانسته‌اند تراکم متصلشکنش پلیمر را افزایش دهند که به نوبه خود پایداری آن را افزایش می‌دهد. برخی از TPUs پیشرفته گزارش شده‌اند که استحکام کششی تا 50% بالاتر نسبت به TPUs استاندارد دارند و به این ترتیب می‌توانند بهتر در برابر استرس مکانیکی مرتبط با ساییده روزانه تحمل کنند.
پلیمرهای خودبازیابی
یکی دیگر از پیشرفت‌های جالب در مواد پلیمر، ظهور پلیمرهای خودبازیابی است. این پلیمرها توانایی خودبازیابی از آسیب را بدون نیاز به مداخله خارجی دارند. در زمینه تکنولوژی پوششی، پلیمرهای خودبازیابی می‌توانند برای ساخت قطعاتی که می‌توانند از کسستگی‌های، بریدگی‌های یا ترکگی‌های جزئی بازیابی شوند، استفاده شوند. به عنوان مثال، برخی از پلیمرهای خودبازیابی حاوی میکروکپسول‌های پر شده با عامل بازیابی هستند. هنگامی که پلیمر آسیب می‌بیند، میکروکپسول‌ها پاره می‌شوند و عامل بازیابی را آزاد می‌کنند که سپس با ماتریکس پلیمر اطراف واکنش می‌دهد و آسیب را بازیابی می‌کند.
در یک مطالعه، پلیمرهای خودبازیابی بر روی پوشش‌های محافظت‌کننده حسگرهای پوششی اعمال شدند. پس از بریدگی عمدی، پوشش‌ها می‌توانستند در عرض چند ساعت خود را بازیابی کنند و خواص باریر اصلی خود را بازیابی کنند. این نه تنها طول عمر حسگرها را افزایش می‌دهد بلکه قابلیت اعتماد کلی دستگاه پوششی را نیز بهبود می‌بخشد، زیرا پوشش‌های آسیب‌دیده ممکن است در نتیجه قرار گرفتن در معرض رطوبت یا سایر عوامل محیطی باعث اختلال در عملکرد حسگر شوند.
B. نانوترکیبات
ترکیبات تقویت‌شده با نانوذرات
نانوترکیبات موادی هستند که از یک ماتریکس پلیمر تقویت‌شده با نانوذرات تشکیل شده‌اند. افزودن نانوذرات، مانند نانو لوله‌های کربن، گرافن یا نانوذرات سرامیکی، می‌تواند خواص مکانیکی، حرارتی و شیمیایی پلیمر را به طور قابل‌توجهی افزایش دهد. در تکنولوژی پوششی، ترکیبات تقویت‌شده با نانوذرات برای کاربردها در قطعات مانند تخته‌های مدار و عناصر ساختاری مورد بررسی قرار می‌گیرند.
به عنوان مثال، نانو لوله‌های کربن نسبت استحکام به وزن استثنایی دارند. هنگامی که در یک ماتریکس پلیمر ادغام می‌شوند، می‌توانند استحکام کششی و صلابت ترکیبات را افزایش دهند. در یک مطالعه بر ماژول‌های محاسباتی پوششی، تخته‌های مدار ساخته‌شده از پلیمرهای تقویت‌شده با نانو لوله‌های کربن 30% بهبود در استحکام مکانیکی در مقایسه با تخته‌های مدار سنتی مبتنی بر اپوکسی نشان دادند. این افزایش استحکام، تخته‌های مدار را نسبت به خم شدن و ضربه‌ها مقاوم‌تر می‌کند که عامل‌های استرس رایج در دستگاه‌های پوششی هستند.
نانوترکیبات مبتنی بر گرافن
گرافن، یک لایه کربن در قالب یک شبکه شش ضلعی، خواص منحصر به فردی مانند رسانایی الکتریکی بالا، رسانایی حرارتی عالی و استحکام مکانیکی قابل‌توجه دارد. نانوترکیبات مبتنی بر گرافن برای استفاده در قطعات تکنولوژی پوششی برای بهبود پایداری و عملکرد آن‌ها توسعه داده می‌شوند. به عنوان مثال، پلیمرهای تقویت‌شده با گرافن می‌توانند برای ساخت قطعات انتقال گرما در دستگاه‌های پوششی استفاده شوند. رسانایی حرارتی بالا گرافن امکان انتقال گرما موثر‌تر را فراهم می‌کند و از گرمایش بیش از حد قطعات حساس جلوگیری می‌کند.
علاوه بر این، خواص باریر گرافن می‌تواند برای محافظت قطعات پوششی از رطوبت و آلاینده‌های شیمیایی استفاده شود. با ادغام گرافن در پوشش‌های محافظت‌کننده حسگرهای پوششی یا مدارهای یکپارچه، قطعات می‌توانند از عوامل محیطی که در غیر این صورت می‌توانند باعث خوردگی یا تخریب شوند، محافظت شوند. برخی از مطالعات نشان داده‌اند که پوشش‌های مبتنی بر گرافن می‌توانند نرخ جذب رطوبت را تا 80% کاهش دهند و به طور قابل‌توجه پایداری قطعات زیربنایی را افزایش دهند.
III. نوآوری‌های طراحی برای پایداری
A. طراحی مدار انعطاف پذیر و کشش پذیر
طراحی وصلات
در تکنولوژی پوششی، جایی که دستگاه‌ها باید با حرکات بدن سازگار باشند، مدارهای انعطاف پذیر و کشش پذیر ضروری هستند. تخته‌های مدار سفت و سخت سنتی مناسب نیستند زیرا ممکن است تحت خم شدن و کشش مکرر شکست شوند. برای رسیدن به این، طرح‌های وصلات نوآورانه‌ای توسعه داده شده‌اند. یک رویکرد استفاده از وصلات با شکل مارمول است. این وصلات در الگوی موجی طراحی شده‌اند و می‌توانند کشیده و خم شوند بدون شکست.
به عنوان مثال، در یک پارچه بافتی هوشمند که حسگرها و الکترونیک را ادغام می‌کند، وصلات با شکل مارمول برای اتصال قطعات مختلف استفاده می‌شوند. الگوی موجی کافی فضای خالی را برای وصلات فراهم می‌کند تا در هنگام کشیدن یا خم شدن پارچه بافتی، گسترش و انقباض کنند. این طراحی نشان داده شده است که می‌تواند هزاران سیکل کشش و خم شدن را بدون شکست تحمل کند و عملکرد طولانی‌مدت دستگاه پوششی را تضمین می‌کند.
مواد الکترونیک کشش پذیر
یکی دیگر از جنبه‌های طراحی مدار انعطاف پذیر و کشش پذیر، استفاده از مواد الکترونیک کشش پذیر است. elastomers رسانا، به عنوان مثال، موادی هستند که رسانایی الکتریکی را با الاستیسیتی شبیه روبر ترکیب می‌کنند. این مواد می‌توانند برای ساخت الکترودها و وصلات کشش پذیر استفاده شوند. برخی از elastomers رسانا با مخلوط کردن پرکننده‌های رسانا، مانند نانوذرات نقره یا کربن سیاه، در یک ماتریکس پلیمر ساخته می‌شوند.
در یک مطالعه بر مونیتورهای ضربان قلب پوششی، الکترودهای کشش پذیر ساخته‌شده از elastomers رسانا استفاده شدند. این الکترودها می‌توانستند در طول فعالیت فیزیکی پررنگ برقراری الکتریکی با پوست را حفظ کنند و خوانش‌های دقیق و قابل‌اعتماد از ضربان قلب ارائه دهند. استفاده از مواد الکترونیک کشش پذیر در تکنولوژی پوششی نه تنها پایداری قطعات را بهبود می‌بخشد بلکه تجربه کاربر را نیز با امکان حرکت راحت‌تر و بدون محدودیت افزایش می‌دهد.