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(shí)代能源技術(shù)之一，摩擦電動(dòng)納米發(fā)電機(jī)（下文簡稱TENG）因無污染（各型機(jī)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(jiān)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(jī)理進(jìn)而提高風(fēng)能型TENG的性能成為科研熱點(diǎn)。來自中國科學(xué)院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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xiàng)電氣輸出性能在不同拉伸應(yīng)力下的變化機(jī)理。
圖1 一種基于石墨烯/PTFE-PDMS復(fù)合拉伸材料的TENG
（1丙烯酸板和墊片；2石墨烯-PDMS(聚二甲基硅氧烷，有機(jī)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）
該新型裝置的運(yùn)作機(jī)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(gè)鋁箔)周期性的遷移，進(jìn)而向外界輸出交流電。
科研人員采用千眼狼高速振動(dòng)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(jìn)而探究不同振動(dòng)條件、上下層薄膜設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對電能輸出之間的影響。圖2為高速攝像機(jī)拍攝的TENG在0%拉伸應(yīng)力下一個(gè)振動(dòng)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(gè)振動(dòng)周期的圖片
圖3為千眼狼高速攝像機(jī)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(dòng)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(jì)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(jìn)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(jìn)一步研究拉伸應(yīng)變對TENG輸出電壓/振動(dòng)頻率的影響，科研人員用千眼狼高速攝像機(jī)從豎向視角對不同應(yīng)力下復(fù)合膜的寬度進(jìn)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(dòng)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(dòng)頻率與不同應(yīng)力的線性關(guān)系（見圖7），可計(jì)算出基于石墨烯/PTFE-PDMS符合材料的新型TENG的電壓/振動(dòng)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(shí)現(xiàn)自給供電的超靈敏的應(yīng)變傳感器，實(shí)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(dòng)頻率與應(yīng)力之間的自然對數(shù)擬合曲線
精彩原文，鏈接如下：
X. Zhao, D. Zhang, S. Xu, W. Qian, W. Han, Z.L. Wang, Y. Yang, Stretching- enhanced triboelectric nanogenerator for efficient wind energy scavenging and ultrasensitive strain sensing, Nano Energy (2020), doi:
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104920
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