基于纺织结构的摩擦纳米发电机研究进展
时间：2023-06-18 21:30:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李兆彤 吕丽华
（大连工业大学，辽宁大连， 116034）
随着5G信息时代的到来，人工智能和无线传感技术蓬勃发展，便携式电子设备成为时代的标志，渗透于生活的方方面面。这些电子产品的运行通常需要强大的电力支持，传统的锂电池、铅酸电池等存在体积大、充电频率高、污染环境等缺陷，与绿色环保、持续稳定、柔性便携的理念相悖。FAN F R等［1］于2012年提出了一种新的能量收集和自供电传感技术——摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator，TENG）。TENG是以麦克斯韦位移电流为驱动力，将机械能转化为电能的设备，具有替代重复更换电池的潜力。TENG的结构设计简单，功率密度高，质量轻，成本低且环保，在低频时表现出较好的电输出性能［2］，其可以不受气候条件和工作环境的限制而高效率持续地运行。如WU J P等［3］通过聚乙烯醇-聚四氟乙烯复合膜和工业吸油纸制备的TENG可以在强碱溶液中连续浸泡72 h；
JING Z等［4］提出的仿生鱼状结构三维全封闭摩擦纳米发电机实现了在低流速、浅水域环境下的零水头发电。而基于纺织结构的摩擦纳米发电机具有更广阔的应用空间，其兼具纺织品的透气性、可洗性、柔韧性等优点和TENG的能量收集、多功能传感能力［5］。如ZHAO Z等［6］使用两种 纱 线 进 行 编织，每个纱线纵横交叉点处都能产生摩擦电荷，通过将TENG集成到胸带中可以监测人的呼吸频率和深度。
本研究介绍了TENG的工作原理和理论模型，重点从纺织结构的角度综述了平面结构和三维结构TENG的研究进展，并对三维TENG的潜在应用进行概述，最后展望了TENG的未来发展。
1.1 工作原理
TENG的工作原理是基于摩擦起电和静电感应效应的耦合，将两种电子亲缘不同的材料摩擦接触产生的动能转化为电能［7］。当两种材料在外力作用下发生接触时，两个接触面的原子间距较正常键长小，原子间的势垒降低，处于排斥力范围内的两个原子之间的强电子云重叠，原子之间形成电子跃迁，从而在两个材料的表面产生等量的正负电荷，即摩擦起电。当外力被卸载时，两种摩擦材料发生分离，基于静电感应会在相对应的电极中产生感应电势差，驱动电子在外电路中移动，形成电流。
1.2 理论模型
根据极化方向的变化和电极结构，TENG的工作模式分为垂直接触分离模式、横向滑动模式、单电极模式和独立层模式［8］。
基于纺织结构的摩擦纳米发电机从纤维到纱线、织物，均可以作为TENG的摩擦材料，收集周围的机械能转化为电能使用。利用纤维或纱线良好的拉伸性能和断裂强度，可以赋予基于纺织结构的摩擦纳米发电机较强的抗机械变形能力、柔软性和可水洗性，为复杂、非平面形状的可穿戴电子产品提供电力，解决不断更换电池的困扰。根据结构特点，可划分为平面结构和三维结构，即2D-TENG和3D-TENG。
2.1 2D-TENG
TENG作为新兴的动力来源，可以代替传统电池和超级电容器，为器件提供可持续的能源。柔性的TENG常以复合薄膜制成平面结构的形式出现，或将导电和介电纤维加工成织物，通过纱线间的接触产生摩擦电荷，常作为电子皮肤、触觉传感器和可穿戴式显示器等。
CAO Y等［9］开发了一种全纺织TENG；
该器件由3层织物组成，分别是硅涂层纱线编织的弹性导电织物作为负摩擦层和电极，蚕丝织物作为正摩擦层，导电织物作为第二电极。YANG C R等［10］制备了4种形态的聚二甲基硅氧烷（PDMS）摩擦层，分别为扁平PDMS、粗糙PDMS、多孔PDMS和含氧化石墨烯（GO）的PDMS，镍、铜线与涤纶共混制备的导电织物作为电极层，两者搭配实现织物型TENG。张瑶等［11］运用空气压缩原理和TENG的工作原理，设计了一种气囊式可穿戴摩擦电传感器。选用PDMS作为密封材料，锦纶织物为基底材料和正摩擦材料，聚氨酯（PU）为负摩擦材料，导电银浆为电极，聚酰亚胺（PI）薄膜作为增强层置于负摩擦层与电极层之间。通过气囊密封结构，确保内部工作环境稳定，降低环境相对湿度对TENG发电性能的影响。
2D-TENG的结构相对简单，易与现有的纺织加工技术结合，在有关智能纺织品方面的研究中很受欢迎。但是其无论是作为能量收集的纺织品还是自供电传感器，都存在着一定的缺陷。第一，选择织物作为摩擦层的TENG，由于其输出功率低，常采用多层堆叠的方法来提高性能，造成器件厚重和收集能量过程复杂；
第二，大多数织物需要两种或两种以上材料进行接触才能发电；
第三，选择涂层、改性等方法会降低织物的拉伸性、透气性和柔韧性，如果涂敷的材料不合适还会造成涂层脱落和弯折处断裂，影响TENG的稳定性［12］。因此，需要一种更合适的方法来扩展TENG在纺织领域的应用。
2.2 3D-TENG
为了进一步提高基于纺织结构的摩擦纳米发电机输出性能，3D纺织结构逐渐被应用。与平面结构不同的是，3D结构是通过在厚度方面增加层数，为摩擦层提供更大的接触分离空间，使TENG具有良好的层间性能和可设计性能，从而实现智能织物的一体化和多领域应用。
CHEN C等［13］利用双针床横机技术，设计了一种三维双面互锁织物摩擦纳米发电机（3DFIFTENG）。该器件无需附加电极，通过施加外力进行弯曲或拉伸即可进行发电。在作为检测手臂弯曲程度的传感器和称重缓冲传感器时均表现出较好的稳定性。DONG K等［14］采用三维五向编织（3DB）结构，设计了一种具有高柔韧性、形状适应性、结构完整性、循环水洗性和优异稳定性的基于TENG的电子织物。选择以聚二甲基硅氧烷（PDMS）包覆的镀银锦纶纱线作为编织纱，多轴缠绕纱为轴向纱，两者之间形成大量的空间框架-柱结构，增大了接触分离空间。在频率为3 Hz、作用力20 N条件下，有90 V的开路电压和26 W/m3的峰值功率密度。
DONG K等［15］开发了一种具有三维正交结构的摩擦纳米发电机（3DOW-TENG），用于收集机械能。该器件在3 Hz频率下最大峰值功率密度可达263.36 mW/m2，是平面结构TENG的数倍。LIU L等［16］设计了一种柔性摩擦纳米发电机织物，该织物的特点是通过纺织品的三维渗透结构为摩擦层提供足够按压和释放的弹性空间，且负摩擦层PDMS表面的金字塔结构，增大了摩擦接触面积，进而提高输出功率。
基于纺织结构的3D-TENG扩大了织物几何空间尺寸，无需添加弹簧、海绵等间隔材料，整个织物结构形成一体，在保持柔韧性和可穿戴性的同时，使织物在较小的尺寸范围内有更大的输出功率，弥补了平面结构TENG的不足。同时，通过选用合适的摩擦材料或涂覆纺织助剂，可以进一步调节上下层的摩擦电荷转移量，为3DTENG提供多个适用场景。
TENG是继电磁感应式、压电式、静电式机械能装置后一种全新的能量转换器件，为高效利用机械能带来新方法。3D-TENG以其结构完整性、尺寸稳定性、设计空间大和高防护性，被广泛应用于环境监测、医疗设备、健康管理等场景中。本研究主要从3D-TENG作为运动监测系统和触觉传感器两方面归纳和总结目前已有的应用情况。
3.1 作为运动监测系统
人体时刻处于运动状态，伴随着运动的剧烈程度，心率、血压和呼吸频率等时刻在变化。常见的是使用血压计对人体健康进行监测，但其存在数据准确性不稳定和舒适性差的缺点。基于纺织结构的摩擦纳米发电机的发展为医疗科技领域带来了有效的解决办法。
ZHU M等［17］利用两种具有不同摩擦极性的聚合物之间的接触带电，设计了3D针织间隔织物TENG。将该织物作为鞋垫，在为人体行走提供舒适性的同时，还可以有效收集运动时产生的机械能。通过分析开路电压和短路电流的变化曲线，可以准确反映人体的运动状态。同时，该智能织物成功地实现了人体行走过程中足部压力的原位传感功能。何恩芳［18］制备了一种三维角联锁结构的摩擦纳米发电机织物，将其与传感器模块、数据处理和控制模块集成为一个自驱动系统，以此为基础设计了一款安全信号地毯。通过监测人体在地毯上行走路线与设定路线是否一致，从而保证访问安全性，防止外来入侵，该智能织物对人机交互的应用具有重要意义。
3.2 作为自驱动触觉传感器
触觉传感器以压力传感器和形变传感器为主，将外界刺激引起的形变转变为电信号进行测量和表征。在使用过程中有一个重要问题就是电源供应，电池的尺寸、质量和硬度限制了它们在智能系统的微纳柔性电子设备中的应用，而基于TENG的传感器可以有效解决这个问题。
WANG J等［19］设计了由多孔柔性层（PFL）和防水柔性导电织物（WFCF）组成的耐湿性和可拉伸单电极摩擦纳米发电机织物（PFL@WFCFTENG）。基于PFL的三维结构，PFL@WFCFTENG的最大输出功率密度达631.5 mW/m2，且在相对湿度80%的条件下保持稳定的输出。结合微电子模块，可作为便携可穿戴的自供电触觉控制器，控制灯的开关、电子徽章的显示、加湿器的喷雾频率和开关，为开发高湿度环境下具有高电输出的可穿戴电子设备提供了可行的解决方案。
TENG作为一项革新技术，凭借其灵活多变的结构可以收集各种形式机械能，并将其转化为电信号或电能。其应用前景包括以下几个方面：其一，可作为电压源，利用高电压和高电场，在空气净化和治理河水污染领域具有良好的应用前景；
其二，可作为信号源，将机械运动产生的动能转化为电信号，实现机械信号向电信号的有效传递与传感；
其三，可作为控制源，通过机械运动产生电压，实现对各种半导体器件的有效调控。
本研究基于纺织领域，归纳和总结了目前TENG织物的研究成果。根据结构特点，将具有纺织成形的TENG织物划分为2D-TENG和3DTENG。对3D-TENG作为运动监测系统和触觉传感器两个方面的应用进行了概述。未来，TENG将朝便携化、舒适化、微型精细化方向发展，更密切地对接柔性智能可穿戴领域和自供电医疗设备的需求，通过材料改性、材料复合和结构变化等方法提高TENG的稳定输出，为微型自供电电子设备的发展提供新的支撑。
猜你喜欢 织物发电机摩擦 无Sn-Pd活化法制备PANI/Cu导电织物材料与冶金学报(2022年2期)2022-08-10干摩擦和湿摩擦的区别中学生数理化·八年级物理人教版(2022年3期)2022-03-16笑声发电机故事作文·高年级(2021年12期)2021-12-21《纺织品织物折痕回复角的测定》正式发布纺织科学研究(2021年7期)2021-12-02竹纤维织物抗菌研究进展纺织科技进展(2021年5期)2021-07-22神奇的摩擦起电中学生数理化·中考版(2019年10期)2019-11-25运行中发电机出口压变异常的分析与处理电子制作(2019年7期)2019-04-25条分缕析 摩擦真相中学生数理化·八年级物理人教版(2019年3期)2019-04-25解读摩擦起电中学生数理化·中考版(2017年10期)2017-04-23随身携带的小发电机军事文摘(2016年16期)2016-09-13
