智慧城市的發(fā)展離不開眾多的應(yīng)變傳感器。由于鋰離子電池容量受限，需頻繁充電，且使用過多會造成高昂成本和一系列環(huán)境污染。作為新時代能源技術(shù)之一，摩擦電動納米發(fā)電機(下文簡稱teng)因無污染(各型機械能如風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能)、體積小、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、有效的能量轉(zhuǎn)換，成為重要的能源技術(shù)方向。
傳統(tǒng)的風(fēng)能型teng通常是剛性和堅硬的，能量轉(zhuǎn)換率較低，無法滿足柔性化自供電型電子設(shè)備的發(fā)展需求。故研究通過新型復(fù)合材料在不同拉伸應(yīng)變力下的能量轉(zhuǎn)換機理進而提高風(fēng)能型teng的性能成為科研熱點。來*北京納米能源與納米系統(tǒng)研究所北京微納米能量與傳感器重點實驗室的科學(xué)家們研究制備了一種基于新型復(fù)合材料的可拉伸裝置(見圖1)，以深入研究各項電氣輸出性能在不同拉伸應(yīng)力下的變化機理。
1丙烯酸板和墊片；2石墨烯-pdms(聚二甲基硅氧烷，有機硅一種)納米復(fù)合膜；3pdvf(聚偏氟乙烯，一種絕緣材料)-pdms納米復(fù)合膜；
圖1 一種基于石墨烯/ptfe-pdms復(fù)合拉伸材料的teng
該新型裝置的運作機制為上下兩層石墨烯-pdms薄膜周期性地與中間的ptfe-pdms薄膜在風(fēng)力的作用下相互接觸、分離，并因摩擦起電和靜電感應(yīng)作用，產(chǎn)生的電荷在正負(fù)電極上(安裝在石墨烯-pdms薄膜上的兩個鋁箔)周期性的遷移，進而向外界輸出交流電。
科研人員采用千眼狼高速振動位移測量系統(tǒng)觀測和記錄teng在不同拉伸應(yīng)力條件下薄膜的接觸及相對位移情況，進而探究不同振動條件、上下層薄膜設(shè)計結(jié)構(gòu)對電能輸出之間的影響。圖2為高速攝像機拍攝的teng在0%拉伸應(yīng)力下一個振動周期內(nèi)的照片，圖片中可清晰地看到上下兩層石墨烯層周期性與中間的ptfe依次接觸、分離。
圖2 0%應(yīng)力下一個振動周期的圖片
圖3為千眼狼高速攝像機抓取的不同拉伸應(yīng)力下0%、20%、40%、60%、70%下薄膜的石墨烯-pdms層和ptfe-pdms層在振動中的接觸情況，可以看到70%應(yīng)力下接觸面積增大了2.35倍。亦可通過精準(zhǔn)的標(biāo)定計算出上中下各層薄膜在不同拉伸應(yīng)力下的相對位置變化(圖4)，進而推算不同應(yīng)力下接觸面積和輸出正負(fù)電荷的關(guān)系。
圖3 0%和70%應(yīng)力下的接觸
圖4 各層薄膜相對位置變化
為進一步研究拉伸應(yīng)變對teng輸出電壓/振動頻率的影響，科研人員用千眼狼高速攝像機從豎向視角對不同應(yīng)力下復(fù)合膜的寬度進行觀測(見圖5)，可以看出，隨著應(yīng)力的增大，復(fù)合膜寬度逐漸減小，輸出電壓/振動頻率呈現(xiàn)出增加趨勢(見圖6)。再通過自然對數(shù)擬合，得到輸出電壓/振動頻率與不同應(yīng)力的線性關(guān)系(見圖7)，可計算出基于石墨烯/ptfe-pdms符合材料的新型teng的電壓/振動頻率應(yīng)變靈敏度為1.75/0.97(應(yīng)力區(qū)間0% < ε ≤ 45%)、0.65/0.4(應(yīng)力區(qū)間50% < ε ≤ 70%)，足以證明可伸縮的teng可作為采集風(fēng)能實現(xiàn)自給供電的超靈敏的應(yīng)變傳感器，實質(zhì)化助推智慧城市的建設(shè)。
圖5 不同壓力下teng側(cè)視圖
圖6壓力-電壓關(guān)系圖
圖7 電壓/振動頻率與應(yīng)力之間的自然對數(shù)擬合曲線
附：千眼狼振動位移測量系統(tǒng)介紹
可精準(zhǔn)觀測振動物體、薄膜的全部動態(tài)特性，一次測量整片區(qū)域振動情況
搭載千眼狼專業(yè)測量軟件可獲取物體表面三維坐標(biāo)，應(yīng)用于全場應(yīng)變、位移、振幅、模態(tài)、速度、加速度、角速度、轉(zhuǎn)速等信息的測量和獲取
支持搭配各型鏡頭、搭配多型設(shè)備如脈沖激光、振動臺、拉力機等進行研究；支持外部力學(xué)信號實時加載至圖像上。
核心性能參數(shù)2320x1720@500fps