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陜科大王學(xué)川/劉新華/岳歐陽等 Nano Energy：基于按需調(diào)整負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的高效摩擦電納米發(fā)電機(jī)在可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用
2025-03-01  來源：高分子科技

  近日，陜西科技大學(xué)生物質(zhì)與功能材料研究所王學(xué)川、劉新華、岳歐陽等人報(bào)道了一種基于按需調(diào)整的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的高效摩擦電納米發(fā)電機(jī)。本研究制備的基于負(fù)泊松比超材料的摩擦納米發(fā)電機(jī)（Auxetic-TENG），成功克服了復(fù)雜彎曲操作中功率密度低與形變失配的集成問題，相比常用正泊松比材料可更高效吸收并轉(zhuǎn)化機(jī)械能為電能，具有更優(yōu)異的發(fā)電效率和檢測(cè)靈敏度。相關(guān)研究成果發(fā)表于國(guó)際能源領(lǐng)域頂級(jí)期刊Nano Energy上。


圖1 Auxetic-TENG的結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理示意圖


  摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）的信號(hào)強(qiáng)度和功率密度提升一直是廣泛研究的熱點(diǎn)，主要集中在極性/介電材料的選擇和復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，酸堿蝕刻、光刻、激光打印等技術(shù)代表了該領(lǐng)域的關(guān)鍵方向。然而，這些技術(shù)的高昂制備成本限制了TENG的廣泛應(yīng)用。負(fù)泊松比超材料是一類特殊的材料，其泊松比小于零，在外力作用下展現(xiàn)出與傳統(tǒng)材料不同的力學(xué)特性。具體來說，在單軸壓縮下，這些材料會(huì)發(fā)生橫向收縮，而在單軸拉伸時(shí)則會(huì)橫向膨脹。這種被稱為“拉脹效應(yīng)”的反直覺變形行為賦予了它們卓越的力學(xué)性能，并為負(fù)泊松比材料在TENG中的應(yīng)用提供了潛在的基礎(chǔ)。


  在本研究中，采用具有負(fù)泊松比特性的硅膠彈性體作為基礎(chǔ)框架，通過N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷改性的膠原聚集體作為正極摩擦材料，并引入高介電常數(shù)的鈦酸鋇納米顆粒增強(qiáng)其介電性能。負(fù)極摩擦層則選用柔性優(yōu)異的聚二甲基硅氧烷，通過特殊設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)同步提升表面粗糙度與接觸面積。這種拉脹結(jié)構(gòu)與全優(yōu)化摩擦材料的協(xié)同作用，使Auxetic-TENG在彎曲運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)機(jī)械能的高效捕獲。負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)在單軸拉伸時(shí)產(chǎn)生的橫向收縮效應(yīng)，可將接觸面積提升40%以上，同時(shí)結(jié)合BTO納米顆粒介電增強(qiáng)效應(yīng)和PDMS的彈性形變特性，使開路電壓達(dá)到47 V，較傳統(tǒng)TENG提升2.2倍，功率密度達(dá)145.3 mW·m?2。獨(dú)特的微凸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過增加表面電荷捕獲位點(diǎn)，使電荷密度提升至802 μC·m?2，顯著提升機(jī)電轉(zhuǎn)換效率。該技術(shù)突破不僅解決了傳統(tǒng)TENG在復(fù)雜彎曲工況下的形變失配問題，其拉脹效應(yīng)誘導(dǎo)的橫向位移機(jī)制更賦予器件優(yōu)異的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)適配性在醫(yī)療監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，通過離子極化調(diào)控界面電荷轉(zhuǎn)移，可實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)彎曲角度的高靈敏度檢測(cè)，為可穿戴設(shè)備的自供電傳感與實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)提供了創(chuàng)新解決方案。


圖2 Auxetic-TENG的應(yīng)用場(chǎng)景及接觸分離下的輸出性能


圖3 Auxetic-TENG彎曲形變下的輸出性能


  相關(guān)成果以“Efficient Triboelectric Nanogenerators with on-demand Auxetic Structure achieving Deformation Matching in Wearable Devices”為題發(fā)表在Nano Energy（DOI: 10.1016/j.nanoen.2025.110648）上。感謝國(guó)家自然科學(xué)基金（22308209、220708167和 22108166）、陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 （2022GY-272）、陜西省高？茖W(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)青年人才支持計(jì)劃項(xiàng)目（20200424）等對(duì)本工作的大力支持！


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110648

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