一体式柔性可拉伸拱形摩擦-压电复合纳米发电机

发布时间：2021-11-21 11:27

　　针对目前可穿戴单兵能源装备对能源采集器件柔性可拉伸能力的迫切需求,提出了一种基于摩擦-压电协同换能机理的一体式柔性可拉伸拱形纳米发电机设计方案。利用混炼工艺将钛酸钡（BaTiO₃）、聚四氟乙烯（PTFE）和镀银玻璃微珠分别混入到高温硫化硅橡胶中,分别制备出压电层、摩擦层和电极层,使器件实现了全柔性和可拉伸性能。器件采用拱形结构,可以响应拉伸和拍打两种常见的激励模式,有助于高效采集具有多自由度特点的人体运动能量。实验结果表明,拉伸模式下,器件主要依靠压电层产生电能输出,而在拍打模式下,器件则主要依靠摩擦层产生电能输出,复合输出性能得到明显提升,展现出其在可穿戴单兵能源装备领域广阔的应用前景。 

【文章来源】：兵器装备工程学报. 2020,41(10)北大核心

【文章页数】：5 页

【部分图文】：

P-TENG制备流程示意图

图1 P-TENG制备流程示意图由于各功能层均采用相同的基体材料，在硫化过程中，其界面层可交联为三维网状结构，形成完全一体式结构，避免了器件在长期使用过程中，各功能层因应力失配而发生彼此脱离的现象。硫化成型前，与摩擦层下表面以及中间电极层上表面接触的模具表面覆盖有180目砂纸，在高温高压硫化成型时，摩擦层下表面及中间电极层上表面与砂纸发生挤压，表面产生微形变，硫化结束时可将砂纸从摩擦层下表面以及中间电极层上表面剥离，从而可得到带有微纳结构的摩擦表面。表面微纳结构的引入可增大摩擦层的比表面，从而提升有效接触面积和摩擦电荷密度。在压电复合材料制备过程中，BTO微粒被选用作为压电相填充物。图3所示为BTO的XRD和拉曼图谱，将XRD的多个衍射峰分别与钛酸钡标准卡对比，可以看出其择优取向为(110)晶相。在拉曼谱图中，可以看出在305～720 cm-1范围内出现3个频移峰，分别对应E(TO)、A1(TO)和A1(LO) 3个模式，结合XRD结果可知，BTO具有良好的结晶度和优异的铁电四方晶体结构。

由于各功能层均采用相同的基体材料，在硫化过程中，其界面层可交联为三维网状结构，形成完全一体式结构，避免了器件在长期使用过程中，各功能层因应力失配而发生彼此脱离的现象。硫化成型前，与摩擦层下表面以及中间电极层上表面接触的模具表面覆盖有180目砂纸，在高温高压硫化成型时，摩擦层下表面及中间电极层上表面与砂纸发生挤压，表面产生微形变，硫化结束时可将砂纸从摩擦层下表面以及中间电极层上表面剥离，从而可得到带有微纳结构的摩擦表面。表面微纳结构的引入可增大摩擦层的比表面，从而提升有效接触面积和摩擦电荷密度。在压电复合材料制备过程中，BTO微粒被选用作为压电相填充物。图3所示为BTO的XRD和拉曼图谱，将XRD的多个衍射峰分别与钛酸钡标准卡对比，可以看出其择优取向为(110)晶相。在拉曼谱图中，可以看出在305～720 cm-1范围内出现3个频移峰，分别对应E(TO)、A1(TO)和A1(LO) 3个模式，结合XRD结果可知，BTO具有良好的结晶度和优异的铁电四方晶体结构。2 工作原理

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于PVDF-TrFE薄膜的柔性自供电传感器[J]. 郭雪培,侯晓娟,杨玉华,李修丞,丑修建.  仪器仪表学报. 2018(07)
[2]基于能量管理的单兵供电系统研究[J]. 邢娅浪,何鑫,李双原.  移动电源与车辆. 2015(02)
[3]英国研发利用动能发电的单兵装备[J]. 鲁陶.  山东陶瓷. 2012(01)



本文编号：3509427