具有磁預(yù)應(yīng)力的滑模納米發(fā)電機(jī)的機(jī)械摩擦電傳感

研究背景

摩擦納米發(fā)電機(jī)（triboelectric nanogenerators，TENGs）已被證明在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的能量收集和傳感方面具有廣闊的潛力，可用于低功耗電子設(shè)備的供電或構(gòu)成自供電傳感器。作為四種基本工作模式中最通用的一種之一，滑動(dòng)式TENG（S-TENG）因其材料來源廣泛、制造簡單、成本低、結(jié)構(gòu)獨(dú)特便于封裝等優(yōu)點(diǎn)而引起了廣泛關(guān)注。然而，滑動(dòng)式TENG的主要問題是上下部分接觸壓力不足導(dǎo)致輸出性能不高、靈敏度不理想等?；诨瑒?dòng)式TENG的輸出特性理論，關(guān)于提高輸出性能的研究已經(jīng)被廣泛報(bào)道。并且有文獻(xiàn)報(bào)道了機(jī)械結(jié)構(gòu)（如接觸面積和薄膜厚度）和外部激勵(lì)（如觸發(fā)頻率和位移距離）對不同模式下TENG的輸出功率、匹配阻抗和能量轉(zhuǎn)換效率有顯著影響。然而，由于外力對電性能輸出的模糊影響，很少有研究報(bào)道外力對滑動(dòng)式TENG的機(jī)電耦合影響。

成果簡介

近日，上海大學(xué)李忠杰副研究員課題組、上海大學(xué)彭艷教授、上海大學(xué)張泉副教授和重慶大學(xué)郭恒宇教授、胡成果教授團(tuán)隊(duì)合作，在國際著名期刊《Advanced Functional Materials》上發(fā)表題為“Mechano-triboelectric Transduction of Sliding-mode Nanogenerators with Magnetic Pre-stress”的研究論文。上海大學(xué)博士生章欽為該論文第一作者，上海大學(xué)李忠杰副研究員、張泉副教授和重慶大學(xué)郭恒宇教授為通訊作者。

圖文導(dǎo)讀

圖1. 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和工作原理。（a）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和MS-TENG的示意圖。（b）MS-TENG完整滑動(dòng)過程的四種代表性狀態(tài)。

圖2. MS-TENG的受力分析和機(jī)電特性示意圖（圖2b-g的x軸標(biāo)簽“distance”表示圖2a中運(yùn)動(dòng)部件B的滑動(dòng)距離x）。（a）MS-TENG滑動(dòng)過程中的力分析示意圖（x是運(yùn)動(dòng)部件B的滑動(dòng)距離）。不同柔性磁鐵（b）M1、（c）M2和（d）M3下的MS-TENG在不同滑動(dòng)距離下的理論磁力和磁預(yù)緊力系數(shù)。（e）在不同滑動(dòng)距離下，具有不同剩余磁通密度的柔性磁鐵（磁鐵M1、M2和M3）的MS-TENG的實(shí)際測量磁力和理論計(jì)算磁力的比較。（f）當(dāng)考慮摩擦力和靜電力時(shí)，理論上MS-TENG的力-滑動(dòng)距離關(guān)系。

圖3. MS-TENG的原理圖和等效電路模型：（a）原理圖，（b）內(nèi)部等效電路節(jié)點(diǎn)模型，以及（c）帶負(fù)載電阻的等效電路模型。

圖4. MS-TENG的理論電性能輸出。（a）磁鐵M1下的MS-TENG在2Hz頻率下的一個(gè)完整循環(huán)期間的理論開路電壓。（b）MS-TENG在不同頻率不同磁力作用下的理論開路電壓。（c）磁鐵M1下的MS-TENG在不同頻率下的理論阻抗匹配。插圖詳細(xì)顯示了最佳阻抗匹配電阻值。（d）MS-TENG在不同頻率不同磁力下的理論阻抗匹配。MS-TENG在各種負(fù)載電阻下的理論（e）功率-時(shí)間和（f）能量-時(shí)間關(guān)系。

圖5. MS-TENG的實(shí)驗(yàn)開路電壓及其與理論開路電壓的比較。磁鐵（a）M1、（b）M2和（c）M3下的MS-TENG在不同頻率下的實(shí)驗(yàn)開路電壓。（d）磁鐵M1下的MS-TENG在2Hz頻率下的完整循環(huán)期間的實(shí)驗(yàn)開路電壓波形。（e）磁鐵M1下的MS-TENG在2Hz頻率下的正向階段（從State 1到State 3）期間的實(shí)驗(yàn)開路電壓波形。（f）MS-TENG的理論開路電壓和實(shí)驗(yàn)開路電壓的比較。

圖6. MS-TENG的理論和實(shí)驗(yàn)輸出功率性能以及阻抗匹配。不同磁鐵（a）M1、（b）M2和（c）M3下的MS-TENG在不同頻率下的實(shí)驗(yàn)阻抗匹配。（d）理論和實(shí)驗(yàn)最優(yōu)負(fù)載電阻的比較。（e）理論和實(shí)驗(yàn)瞬時(shí)峰值功率的比較。誤差棒，平均值±SD（標(biāo)準(zhǔn)偏差），樣本量n=3。

圖7. MS-TENG在不同負(fù)載電阻下的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較：（a）功率-時(shí)間關(guān)系和（b）能量-時(shí)間關(guān)系。（對于頻率為2Hz的磁鐵M1下的MS-TENG最佳阻抗匹配電阻值的理論計(jì)算結(jié)果為9.64MΩ，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果為10MΩ。）

全文總結(jié)

這項(xiàng)工作提出了一種在滑動(dòng)式TENG中外加柔性磁鐵層的新策略（magnetically stresses TENG, MS-TENG），以從理論和實(shí)驗(yàn)角度研究磁預(yù)緊力引起的機(jī)電耦合效應(yīng)。通過引入磁預(yù)緊力系數(shù)，從理論上研究了MS-TENG的機(jī)電特性?？紤]磁預(yù)緊力、負(fù)載電阻和滑動(dòng)頻率對MS-TENG在低滑動(dòng)速度下的影響，通過等效電路模型推導(dǎo)了MS-TENG的輸出性能，包括開路電壓、輸出功率和能量。在此基礎(chǔ)上，通過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究了所制備的MS-TENG的輸出性能與磁預(yù)緊力或負(fù)載電阻或滑動(dòng)頻率之間的關(guān)系，驗(yàn)證了理論結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果吻合較好，有效地揭示了磁預(yù)緊力在MS-TENG上的作用原理，說明了磁預(yù)緊力在MS-TENG上的輸出性能與滑動(dòng)頻率、負(fù)載阻抗等其他激勵(lì)之間的關(guān)系。本工作旨在提供一個(gè)理論描述和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證外部預(yù)緊力對滑動(dòng)式TENG性能增強(qiáng)的影響。

審核編輯：劉清