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西北工业大学苑伟政团队:一种可集成于UAV可变形机翼的蜂窝式驻极体/摩擦纳米发电装置 精选

已有 1724 次阅读 2021-7-28 22:07 |系统分类:论文交流

Hierarchical Honeycomb-structured Electret/Triboelectric Nanogenerator for Biomechanical and Morphing Wing Energy Harvesting

Kai Tao, Zhensheng Chen, Haiping Yi, Ruirong Zhang, Qiang Shen, Jin Wu, Lihua Tang, Kangqi Fan, Yongqing Fu, Jianmin Miao*, Weizheng Yuan*

Nano-Micro Letters (2021)13: 123

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00644-0

本文亮点
1. 提出一种具备优异透明度、结构紧凑、轻量化和柔性的多层蜂窝状驻极体/摩擦纳米发电结构,该蜂窝结构可以在限域空间实现电容变化最大化。

2. 该多层蜂窝状驻极体/摩擦纳米发电结构的自恢复特性可实现自驱动鞋垫的足底压力检测及动态显示。

3. 首次将蜂窝状驻极体/摩擦纳米发电结构用于UAV可变形机翼舵面运动能量的提取与转化

内容简介
近年来,无人机(UAV)由于具有机动性高、维护成本低、易于部署等优点,广泛用于军事安全和监视、民用基础设施检查等众多领域。无人机由于机身小巧轻便,使得电池的尺寸和容量有限,极大限制了无人机的飞行时间和航程。一种可行的策略是将飞机飞行过程中的机翼振动能转化成电能,以实现对机身部分传感器的自持供电。本项工作之一就是将轻巧紧凑的蜂窝式驻极体振动俘能结构,代替飞机机翼中大量存在的蜂窝式吸振/支撑结构,以实现振动能量的提取和转化。西北工业大学苑伟政教授和陶凯副教授等提出了一种受蜂窝结构启发的驻极体/摩擦纳米发电机(h-TENG)。通过高温热压塑性成型技术实现了PET、纳米银线及FEP的波浪状一体成型,进而组合出多层波浪状薄膜结构。通过每个波浪状能量收集单元的协同作用,蜂窝状摩擦纳米发电机在手掌的敲击激励下实现了最大1207 V瞬时电压,68.5 μA短路电流及12.4 mW功率的能量输出,对应了高达0.275 mW/cm3 (2.48 mW/g)的峰值功率密度。同时由于该摩擦纳米发电机的蜂窝状结构具备优异回弹特性,将其集成在鞋垫中实现了足底运动压力的动态监测及显示,并首次集成于无人机变形机翼内部实现了副翼运动时的能量收集。本研究展示了该概念化蜂窝状摩擦纳米发电机在诸多应用场景中的实用性及可行性。
图文导读
I 蜂窝状摩擦纳米发电机(h-TENG)的整体设计
h-TENG采用多层热压后的PET/AgNWs/FEP结构组合而成,通过离子束刻蚀技术对FEP表面侵蚀,使得其在摩擦起电时的接触面积增大,提高了发电效率。同时FEP及AgNWs作为柔性基底及导电电极来实现柔性压缩和自恢复。由于h-TENG的高柔性及轻量化特性,可将其运用于人体运动及无人机变形机翼运动的能量收集(如图1所示)。

图1. (a) h-TENG的多层蜂窝状结构图;(b, c) 单拱形结构的能量收集蜂窝单元结构图:具备表面微结构的FEP电镜图和AgNWs的表面形貌电镜图;(d-e) h-TENG的弯折和按压运动模式。(f-g) 用于无人机变形机翼运动能量收集的h-TENG的原理及概念图;(h) 足底运动压力检测的应用。

II 蜂窝状摩擦纳米发电机(h-TENG)的制作流程及最优化设计

本文研究发现,由于PET材料优异的柔性及透明性,因此可用于作为柔性导电电极基底,通过一系列的制作工艺来实现h-TENG的最终加工成型。h-TENG不仅具备优异的透明度,而且可以通过内部多孔结构的单层单元提升其压缩过程中的电容变化。在h-TENG的压缩运动过程中,基于FEP驻极体的静电感应和接触摩擦起电效应同时发生,进一步提升了h-TENG的输出效能(如图2所示)。

通过对比不同波长、幅值和层数下的h-TENG输出电压和输出电流(如图3a-f),由于波长的增加将会缩小h-TENG压缩时的电容变化值,因此波长与输出效能成负相关;幅值的增加将会增大h-TENG压缩时的电容变化值,因此幅值与输出效能成正相关;与此同时,随着层数的增加,h-TENG的输出效能也随之增长。

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图2. (a-h) h-TENG的制作过程;(i-j) 单层/多层h-TENG的实物照片;(k) 不同压缩成都下的h-TENG电容变化;(l) 双层结构h-TENG在运动时的电场分布情况。

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图3. (a-f) 不同波长、幅值和层数下的h-TENG的输出电压和电流对比;(g-i) 不同阻抗匹配和加速度激励下对应的h-TENG输出电流和最优化功率。

III 蜂窝状摩擦纳米发电机(h-TENG)的性能表征

h-TENG非常适合于作为可穿戴设备收集人体运动能量。图4a表明开路电压和短路电流分别达到了1123 V和68 μA。通过外接班纳特调节电路,h-TENG的交流电可被转换为直流电并储存于电容元件中,手指敲击h-TENG,可以驱动75×55 mm2的LCD显示屏持续显示“NPU”字样(如图4b, c)。如图4d所示,通过最优化阻抗匹配,h-TENG在手掌敲击时可实现最大1207 V,68.5 μA和12.4 mW的瞬时输出。通过手掌按压十次h-TENG,可为灯泡功能并提供43勒克斯光强的照明。

通过对不同加速度激励下的h-TENG输出性能测试可以看出(图5a, b),h-TENG可用于该加速度范围内的自驱动加速度计传感器。h-TENG自身具备优异的耐久度,在5g加速度、30 hz的频率下,在75000个循环周期中未出现明显的衰减(图5c)。同时针对不同的激励形式,如轻敲、弯折和按压,h-TENG有着各异的输出信号,此现象有助于将h-TENG应用于不同运动形式的检测领域(图5d-f)。本研究进一步的将h-TENG集成于鞋垫上,通过外接信号处理及图形显示模块,可对足底运动时的压力进行动态检测及实时显示(见图5g)。同时通过阵列化设计,h-TENG阵列可通过连接LED灯阵列直观的显示手指按压的位置(图5h)。

图片图4. (a) 手掌敲击下的h-TENG阻抗匹配结果;(b) 手指敲击h-TENG时点亮75×55 mm2的LCD显示屏;(c) h-TENG的外接班纳特调节电路;(d) 最优化阻抗匹配;(e) 通过敲击10次h-TENG可点亮灯泡并获得43勒克斯的光强。

图5. (a-b) 不同加速度激励下的输出电压及功率;(c) h-TENG的耐久性试验;(c) h-TENG的外接班纳特调节电路;(d-f) h-TENG在轻敲、弯折和按压时的输出电压信号;(g) h-TENG集成于鞋垫用于检测足底运动压力;(h) h-TENG阵列用于实现LED灯对运动区域的瞬时响应。

IV 蜂窝状摩擦纳米发电机(h-TENG)应用于无人机变形机翼的能量收集

本研究亦设计制作了基于无人机变形机翼技术的h-TENG模块,其设计构型、运动逻辑及实物照片见下图6a-c,由转向舵机驱动可变形机翼实现舵面作动,同时由于记忆内部空间压缩激励h-TENG工作进而输出电能。通过对h-TENG柔性可变形机翼的输出电压进行检测,其在低频的舵面运动中具备良好的输出性能,这表明h-TENG在航空器能量收集领域有着广阔的应用前景。

图6. (a) 可变形机翼用于飞机概念图;(b) 可变形机翼集成h-TENG的运动原理;(c) 集成了h-TENG的机翼实物图;(d-f) 机翼在不同运动频率下的h-TENG输出;(g-i) 机翼在不同运动角度下的h-TENG输出。
作者简介

陶凯

本文第一作者

西北工业大学 副教授

主要研究领域

微机电系统(MEMS)、振动俘能器件与系统、非线性振动、自供电/柔性传感器。

主要研究成果

已发表专著1部,书籍章节4章,以第一/通讯作者发表SCI论文20余篇,被引2100余次,包含6篇ESI高被引或热点论文,曾获美国机械工程协会(ASME)自适应结构和材料系统分会“年度最佳论文奖”和入选“中国百篇最具影响国际学术论文”。

Email: taokai@nwpu.edu.cn

单位介绍

西北工业大学空天微纳系统教育部重点实验室,是国内较早开展微纳机电系统研究的单位之一,分别在2010-2011年两度获得国家技术发明二等奖,并以“航空航天特种MEMS制造技术及应用”成果于2019年第三次获得国家技术发明奖,实验室在 2019年获批极端环境智能微系统国家重点实验室培育项目。实验室在特种MEMS传感器与致动器、典型航空航天微器件系统、MEMS集成设计等方面形成了鲜明的研究特色与技术优势,已成为我国重要的微纳系统科研及创新人才培养基地。
撰稿:原文作者
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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc),包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、PubMed Central、DOAJ、CSCD、知网、万方、维普、超星等数据库收录。2020 JCR影响因子IF=16.419,在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前10%)。2020 CiteScore=15.9,材料学科领域排名第4 (4/123)。中科院期刊分区:材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820),欢迎关注和投稿。

E-mail:editor@nmletters.org
Tel:021-34207624



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