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天津大學(xué)張平副教授Nano Energy:基于中國(guó)傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)超高性能摩擦納米發(fā)電機(jī)

通過對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)榫卯工藝的深入研究,利用廢棄紙張和聚丙烯(PP)材料,構(gòu)建了一種新型的榫卯結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī)(MT-TENG),這種新結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高度的堅(jiān)固性和空間分割。
【引言】
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,人類社會(huì)正迅速進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)和人工智能時(shí)代,許多新的智能可穿戴設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。智能可穿戴設(shè)備在運(yùn)動(dòng)傳感、人體健康監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)環(huán)境變化監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。對(duì)于這些智能可穿戴設(shè)備來說,穩(wěn)定和連續(xù)的能源供應(yīng)是實(shí)現(xiàn)其正常工作的重要條件。目前,智能可穿戴設(shè)備中的運(yùn)動(dòng)傳感器主要由傳統(tǒng)的電源供電,但這些能源供應(yīng)方法存在使用壽命短、循環(huán)穩(wěn)定性差、環(huán)境污染等缺點(diǎn)。近年來,基于摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)耦合的摩擦納米發(fā)電機(jī)(Triboelectricnanogenerator,TENG),因其具有體積小,同時(shí)能夠?qū)h(huán)境中無法獲得的能源轉(zhuǎn)化為可用的電能來產(chǎn)生具有巨大應(yīng)用潛力的可再生能源而備受關(guān)注。然而,對(duì)于傳統(tǒng)的柵格結(jié)構(gòu)在空間利用率和穩(wěn)定性方面有改進(jìn)的余地。為了進(jìn)一步提高輸出性能,必須設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、空間利用率高的新結(jié)構(gòu)。同時(shí),榫卯結(jié)構(gòu)是中國(guó)古代建筑、家具和其他設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)方法,是一種通過結(jié)合凹凸部分連接兩個(gè)部件的巧妙方法,這種結(jié)構(gòu)可以承受較大的載荷,且可以組合成多種形式。
鑒于此,天津大學(xué)張平副教授(通訊作者)通過對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)榫卯工藝的深入研究,利用廢棄紙張和聚丙烯(PP)材料,構(gòu)建了一種新型的榫卯結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī)(MT-TENG),這種新結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高度的堅(jiān)固性和空間分割。研究表明,在相同空間條件下,MT-TENG的短路電流(Isc)輸出比柵格結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī)G-TENG)高1.7倍。同時(shí)本文也對(duì)運(yùn)動(dòng)幅度和頻率對(duì)其能量收集的影響因素進(jìn)行了研究。此外,MT-TENG裝置可以采集人體運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能,檢測(cè)人體手腳的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),尺寸為3cm×3cm的MT-TENG產(chǎn)生的功率可以驅(qū)動(dòng)53個(gè)LEDs。本文提供了一種創(chuàng)新的榫卯結(jié)構(gòu),可以有效地提高TENG的輸出性能,在可穿戴電子設(shè)備等領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。相關(guān)研究成果以“A High-output Performance Mortise and Tenon Structure Triboelectric Nanogenerator for Human Motion Sensing”為題發(fā)表在Nano Energy上。論文第一作者為博士生張洪浩。
【圖文導(dǎo)讀】

、新型榫卯結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī)(MT-TENG)的制備流程

(a)MT-TENG的制造和裝配工藝;
(b)G-TENG的制造工藝。

二、MT-TENG的結(jié)構(gòu)和摩擦電極形貌

(a)MT-TENG結(jié)構(gòu)的光學(xué)照片;
(b,c)導(dǎo)電銅帶表面和截面的SEM圖像;
(d)PDMS薄膜的光學(xué)照片;
(e,f)PDMS薄膜表面和橫截面的SEM圖像。

MT-TENG的工作機(jī)理與仿真

(a)MT-TENG原理圖;
(b)使用COMSOL對(duì)MT-TENG的電極電位分布進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。

、MT-TENG與G-TENG的對(duì)比


(a,b)在相同條件下,測(cè)量了G-TENG和MT-TENG的開路電壓、短路電流;
(c)輸出電壓與電流與MT-TENG負(fù)載電阻的關(guān)系;
(d)輸出功率密度與MT-TENG負(fù)載電阻的關(guān)系;
(e,f)50MΩ MT-TENG的輸出電壓和電流。

MT-TENG在不同位移振幅和頻率下的輸出性能

(a,b)MT-TENG的開路電壓和短路電流隨位移幅值的變化而變化;
(c,d)MT-TENG的開路電壓和短路電流隨頻率的變化而變化;
(e)通過5000個(gè)連續(xù)工作周期,研究了MT-TENG的穩(wěn)定性;

、MT-TENG在手部運(yùn)動(dòng)傳感中的應(yīng)用

(a-c)敲擊、拍打和擊打;
(d)相對(duì)應(yīng)的三種觸摸狀態(tài)的電壓信號(hào)。

、MT-TENG在人體運(yùn)動(dòng)傳感中的應(yīng)用

(a-c)步行、跑步和跳躍;
(d)三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的輸出電壓信號(hào)。

圖八、MT-TENG在能源供應(yīng)中的應(yīng)用

(a)MT-TENG與53個(gè)綠色LEDs相關(guān)聯(lián);
(b)手指按壓時(shí),53個(gè)綠色LEDs由MT-TENG供電;
(c)來自不同視角的LEDs亮度圖像。
【小結(jié)】
綜上所述,受中國(guó)傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)的啟發(fā),作者研制了一種新型的榫卯結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī)(MT-TENG)。與傳統(tǒng)的G-TENG相比,MT-TENG具有更高的硬度。此外,在有限的體積內(nèi)提高了空間利用率,顯示出優(yōu)越的能量收集性能。 在相同條件下,電流輸出增強(qiáng)1.7倍。同時(shí),使用廢棄的紙張和PP材料作為支撐材料,體現(xiàn)了環(huán)保和輕量化的理念。此外,作者還研究了單個(gè)MT-TENG的輸出性能,重點(diǎn)研究了運(yùn)動(dòng)幅度和頻率對(duì)其能量收集性能的影響,而且MT-TENG還可用于收集人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能。具體來講,設(shè)計(jì)出了一種基于MT-TENG的設(shè)備,可以監(jiān)測(cè)人體手腳的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。最后,由此設(shè)計(jì)MT-TENG產(chǎn)生的電點(diǎn)亮了53個(gè)LEDs。這種環(huán)保、重量輕、堅(jiān)固、便攜的電子設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的自驅(qū)動(dòng)電源,從而在可穿戴電子設(shè)備等領(lǐng)域具有良好的潛力。
文獻(xiàn)鏈接:“A High-output Performance Mortise and Tenon Structure Triboelectric Nanogenerator for Human Motion Sensing”(Nano Energy,2021,10.1016/j.nanoen.2021.105933)



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