針對目前可穿戴單兵能源裝備對能源采集器件柔性可拉伸能力的迫切需求,提出了一種基于摩擦-壓電協(xié)同換能機理的一體式柔性可拉伸拱形納米發(fā)電機設(shè)計方案。利用混煉工藝將鈦酸鋇（BaTiO₃）、聚四氟乙烯（PTFE）和鍍銀玻璃微珠分別混入到高溫硫化硅橡膠中,分別制備出壓電層、摩擦層和電極層,使器件實現(xiàn)了全柔性和可拉伸性能。器件采用拱形結(jié)構(gòu),可以響應(yīng)拉伸和拍打兩種常見的激勵模式,有助于高效采集具有多自由度特點的人體運動能量。實驗結(jié)果表明,拉伸模式下,器件主要依靠壓電層產(chǎn)生電能輸出,而在拍打模式下,器件則主要依靠摩擦層產(chǎn)生電能輸出,復(fù)合輸出性能得到明顯提升,展現(xiàn)出其在可穿戴單兵能源裝備領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景。 

【文章來源】：兵器裝備工程學(xué)報. 2020,41(10)北大核心

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

P-TENG制備流程示意圖

圖1 P-TENG制備流程示意圖由于各功能層均采用相同的基體材料，在硫化過程中，其界面層可交聯(lián)為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成完全一體式結(jié)構(gòu)，避免了器件在長期使用過程中，各功能層因應(yīng)力失配而發(fā)生彼此脫離的現(xiàn)象。硫化成型前，與摩擦層下表面以及中間電極層上表面接觸的模具表面覆蓋有180目砂紙，在高溫高壓硫化成型時，摩擦層下表面及中間電極層上表面與砂紙發(fā)生擠壓，表面產(chǎn)生微形變，硫化結(jié)束時可將砂紙從摩擦層下表面以及中間電極層上表面剝離，從而可得到帶有微納結(jié)構(gòu)的摩擦表面。表面微納結(jié)構(gòu)的引入可增大摩擦層的比表面，從而提升有效接觸面積和摩擦電荷密度。在壓電復(fù)合材料制備過程中，BTO微粒被選用作為壓電相填充物。圖3所示為BTO的XRD和拉曼圖譜，將XRD的多個衍射峰分別與鈦酸鋇標(biāo)準(zhǔn)卡對比，可以看出其擇優(yōu)取向為(110)晶相。在拉曼譜圖中，可以看出在305～720 cm-1范圍內(nèi)出現(xiàn)3個頻移峰，分別對應(yīng)E(TO)、A1(TO)和A1(LO) 3個模式，結(jié)合XRD結(jié)果可知，BTO具有良好的結(jié)晶度和優(yōu)異的鐵電四方晶體結(jié)構(gòu)。

由于各功能層均采用相同的基體材料，在硫化過程中，其界面層可交聯(lián)為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成完全一體式結(jié)構(gòu)，避免了器件在長期使用過程中，各功能層因應(yīng)力失配而發(fā)生彼此脫離的現(xiàn)象。硫化成型前，與摩擦層下表面以及中間電極層上表面接觸的模具表面覆蓋有180目砂紙，在高溫高壓硫化成型時，摩擦層下表面及中間電極層上表面與砂紙發(fā)生擠壓，表面產(chǎn)生微形變，硫化結(jié)束時可將砂紙從摩擦層下表面以及中間電極層上表面剝離，從而可得到帶有微納結(jié)構(gòu)的摩擦表面。表面微納結(jié)構(gòu)的引入可增大摩擦層的比表面，從而提升有效接觸面積和摩擦電荷密度。在壓電復(fù)合材料制備過程中，BTO微粒被選用作為壓電相填充物。圖3所示為BTO的XRD和拉曼圖譜，將XRD的多個衍射峰分別與鈦酸鋇標(biāo)準(zhǔn)卡對比，可以看出其擇優(yōu)取向為(110)晶相。在拉曼譜圖中，可以看出在305～720 cm-1范圍內(nèi)出現(xiàn)3個頻移峰，分別對應(yīng)E(TO)、A1(TO)和A1(LO) 3個模式，結(jié)合XRD結(jié)果可知，BTO具有良好的結(jié)晶度和優(yōu)異的鐵電四方晶體結(jié)構(gòu)。2 工作原理

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于PVDF-TrFE薄膜的柔性自供電傳感器[J]. 郭雪培,侯曉娟,楊玉華,李修丞,丑修建.  儀器儀表學(xué)報. 2018(07)
[2]基于能量管理的單兵供電系統(tǒng)研究[J]. 邢婭浪,何鑫,李雙原.  移動電源與車輛. 2015(02)
[3]英國研發(fā)利用動能發(fā)電的單兵裝備[J]. 魯陶.  山東陶瓷. 2012(01)



本文編號：3509427