Surface Morfology Analysis of Knit Structure-Based Triboelectric Nanogenerator for Enhance the Transfer Charge

Resultaten en discussie

Om wrijvingsmaterialen te bevestigen, is de tribo-elektrische orde [49] de significante referentie, die de tribo-elektrische polarisatie van verschillende veel voorkomende materialen kwantificeert. De tribo-elektrische orde geeft aan dat de ene kant een toenemende laadcapaciteit laat zien en de andere kant een hoog vermogen bezit om elektronen te verliezen, die zijn gedefinieerd als de fundamentele materiaalprestaties. Om de uitstekende uitvoerprestaties te verkrijgen, zijn een aantal materialen geselecteerd die moeten worden toegeschreven aan de tribo-elektrische reeks met een aanzienlijke afstand, waardoor het potentiaalverschil groter wordt. Hierin is de ene de commerciële, goedkope, uitstekende slijtvastheid en zeer positief geladen neiging (nylon) en de andere vertoont een negatief geladen neiging (PTFE). In dit werk hebben we het PTFE-membraan geselecteerd zonder enige behandeling op het oppervlak. Hierin is de enige factor gebreide structuren die kunnen worden geanalyseerd door de prestatie van het overbrengen van lading. Een ander cruciaal element is het elektrodemateriaal dat koperfolie is met een hoge flexibiliteit, dat direct kan worden geplakt, dat wil zeggen een eenvoudig fabricageproces in één stap. Vergeleken met het edele metaal van zilver en goud, is de prijs van koperfolie goedkoop en kan worden gebruikt om de economische producten te vervaardigen. Dus koper is op grote schaal toegepast als flexibele circuits en elektroden in het ontwerp van slimme apparaten.

Op dit moment zijn er vier universele werkmodus-bediende TENG's die overeenkomen met de verschillende elektrodestructuren en bewegingen. Met voordelen van gemakkelijke fabricage, de overvloedige materiaalkeuze, heen en weer gaande bewegingen in verticale richting, zijn de CS TENG's de eerste diep onderzochte die het potentiële vermogen hebben om wat biomechanische energie te oogsten, zoals klappende handen, lopen en rennen. Om het invloedsprincipe van de oppervlaktestructuren te onderzoeken, zijn hier de tribo-elektrische nanogeneratoren op basis van gebreid textiel (KNG's) ontworpen, overeenkomend met het contact en de scheiding tussen nylonweefsel en PTFE-film. Het proces van het assembleren van de tribo-elektrische nanogenerator wordt weergegeven in figuur 1a, bestaande uit gebreide stoffen, PTFE-membraan en koperfolie. De veelzijdigheid van flexibel breiwerk in termen van zijn vermogen tot krimpen (Fig. 1 bi), buigen (Fig. 1 bii), draperen (Fig. 1biii) en vouwen (Fig. 1biv) in elke richting is op verschillende schalen afgestemd. afgebeeld in Fig. 1b. De KNG's kunnen worden ontworpen op basis van de vereisten van de toepassingspositie en de esthetiek van kleding. De diversiteit aan gebreide structuren is gebreid met verschillende oppervlakte-uitstralingen, en vervolgens zijn deze foto's van het textieloppervlak getoond in Fig. 1c.

Schematische voorbereiding, kenmerkend voor KNG, en breistructuur. een Fabricageproces van KNG. b Afbeeldingen van KNG onder verschillende vervormingen. ik, gekrompen; ii, gebogen; iii, gedrapeerd; iv, gevouwen. c Alle gefabriceerde gebreide structuren, van nummer 1 tot 10

Het bedieningsmechanisme van de KNG's is eenvoudig weergegeven in figuur 2a. Om de overdrachtslading te meten, worden de maximale afstand en de frequentie van bewegingen van de lineaire motor ingesteld op respectievelijk 10 cm en op 0,3 Hz voor het simuleren van klappende handbewegingen. Wat betreft gewone bewaking worden de nullastspanning (Voc), de kortsluitstroom (Isc) en de overdrachtslading (Qsc) gemeten door een mechanische lineaire motor. In de oorspronkelijke staat (Fig. 2 ai) produceerde het nylon textiel positieve ladingen en werd PTFE-film geladen met negatieve ladingen vanwege de elektrostatische inductie en het behoud van ladingen. Wanneer het apparaat werd ingedrukt (afb. 2 aii), zal een krimp van de opening tussen de beide contactoppervlakken ertoe leiden dat de positieve lading zich ophoopt in de elektrode die op de PTFE is geplakt. De elektronen stromen uit het externe circuit om het potentiaalverschil in evenwicht te brengen. Het was de moeite waard om op te merken dat de equivalente hoeveelheid elektronen op het oppervlak van het contactgebied kan worden gehandhaafd omdat beide diëlektrische materialen isolatoren zijn (Fig. 2 aiii). Als de PTFE terug beweegt (Fig. 2aiv), keert het proces om en zal het elektrische evenwicht opnieuw worden verkregen tussen nylon textiel en PTFE, wat de neutralisatie van ladingen weerspiegelt. Bijgevolg zullen de elektronen terugvloeien voor elektrische potentiaalverschillen. In deze situatie kunnen de KNG's Isc en Voc genereren, die een kenmerk hebben van periodieke verandering, weergegeven in Fig. 2 b en c. In Fig. 2b en c is de inzet een vergrote grafiek die in één cyclus wordt beschreven.

Elektrisch vermogen werkend mechanisme en de output prestaties van KNG. een Bedieningsmechanisme van KNG met behulp van nylon weefselcontact met PTFE-lid. b Voc van KNG en vergroot beeld voor één cyclus. c Isc van KNG en vergrote afbeelding van één cyclus

Om convexe structuren op het textieloppervlak te vervaardigen, zijn er twee soorten methoden die worden gebruikt, waaronder structuurontwerp en vormvorming, zoals weergegeven in Fig. 3. Het structuurontwerp is afhankelijk van het verschillende aandeel van de gezichtslussteken en het omgekeerde lus steken. De totale monsters zijn ontworpen in zeven ribtypes, waaronder het type m*n (m =n =1, 2, 3, 4) in Fig. 3a en 2*m (m =1, 2, 3, 4) getoond in Fig. 3b. De ribbe heeft een verticaal koord-uiterlijk vanwege de gezichtslusvormige ribbels die de neiging hebben om over en voor de omgekeerde lusribbels te bewegen; dan kan de maximale hoogte van het snoer 0,2 cm bedragen. De rib van m*n (m =n =1, 2, 3, 4) kan worden uitgebalanceerd door afwisselende randen van gezichtslussen aan elke kant, zodat het plat ligt zonder krul na het op maat maken. En beide zijden van het textiel hebben hetzelfde uiterlijk als getoond in Fig. 3e. Echter, de verschillende verhoudingen van het gezicht en de omgekeerde lussen in 2 * m ribstructuren, er is een onderscheidend oppervlak dat naar buiten komt, zoals weergegeven in Fig. 3f. Bovendien is het rekproces van ribstof verdeeld in twee fasen, waaronder de omgekeerde ribbels die aan beide zijden in elkaar grijpen totdat ze worden uitgerekt om de omgekeerde lus-ribbels ertussen te onthullen en dan worden hele lussen verder uitgerekt over twee keer zo breed als een equivalent enkele stof. Daarom hebben ribtextiel, in vergelijking met effen stoffen, het potentieel om het rekbare vermogen te vergroten voor het oogsten van klapperende en strekbewegingen (dwarsrichting en lengterichting) tijdens de werkmodus contactscheiding. De andere methode voor het tot stand brengen van een verhoogde structuur is de vormvervorming waarbij de luchtlaag wordt gevormd op het oppervlak van de n (n =4, 5, 6) textiel dat wordt geïllustreerd in Fig. 3c. De dikte van het dwarsdoorsnedegebied ligt in het bereik van 0,15 tot 0,3 cm. Het kenmerk van de luchtlaag is een prominente boogstructuur die enige ruimte kan bieden voor het versnellen van de elektronenscheiding bij het activeren van bewegingen. Bovenal wordt gebreid textiel ontworpen via een computergestuurde platte machine die de nauwkeurigheid van de breilocatie kan realiseren, het hele kledingstuk kan vormen en slimme materialen perfect in stof kan integreren. Een dergelijke breitechniek-nomenclatuur is gemarkeerd in Fig. 3d die de kenmerken van de structuur correct weergeeft.

Schematische kenmerken en componenten van gebreide structuren. een Kenmerken van m*n rib. b Kenmerken van 2*m rib. c Kenmerken van sommige naald horizontaal koord. d Breitechniek nomenclatuur. e Afbeelding van de voorkant en achterkant in de 1*1 ribstructuur. v Afbeelding van de voorkant en achterkant in 2*1 ribstructuur

Eerdere werken [42] toonden aan dat het effectieve contactoppervlak van de voorkant veel meer was dan de achterkant van textiel; resulteren in overdrachtskosten was twee keer zo hoog als de uitvoerprestaties van de achterkant. Dit komt omdat de lengte van de naaldlus langer was dan de zinklus. Om de uitvoerprestaties te verbeteren en om slechts één invloedrijke factor te creëren, bestaan ​​de contactverhoogde structuren daarom uit lussen aan de voorkant. De outputs van de KNG's, afhankelijk van het aantal convexe eenheden, zijn uitgezet in Fig. 4. Er werd een dalende trend gevormd waarbij het contactoppervlak van alle geëxperimenteerde textiel werd verminderd met het aantal verhoogde eenheden. Ook zijn de meer significante elektrische ladingen in de sequentiële volgorde van de 1 * 1 rib, 2 * 1 rib en vier naaldvormige structuren (het eerste punt van elke lijn) met de waarden van 91,66 nC, 90,19 nC en 69,64 nC, respectievelijk.

De uitvoerprestaties zijn veranderd door het nummer van de convexe eenheid

Vervolgens worden de gebreide structuur met de verschillende oppervlaktemorfologie in aspecten van diversiteit, dichtheid, aantal eenheidszijden en structuren onderzocht. Alle parameters van tien soorten gebreid textiel zijn getest en vastgelegd in tabel 2. Met name de dichtheid van de loop is altijd constant omdat het uiterlijk van het koord langs de verticale richting is gegroeid bij het analyseren van monster nrs. 1-7. De dichtheid van de ribbels als de belangrijkste factor die moet worden besproken, verwijst dus naar de kenmerken van verschillende breistructuren. Het is duidelijk dat de gezichtslus en de keerlus dezelfde verhouding hebben in de nummers 1-4, ongeveer 50%. Deze stoffen vertonen dezelfde structuren, ongeacht de voorkant of achterkant, gebaseerd op het breiwerk met dubbele steek. De gemiddelde dikte is hoger in vergelijking met de monsternrs. 5–7 die uit een ander aantal gezichtssteken en reservesteken bestaat. Textuur nr. 4 bezit de grootste herhalingseenheid waarvan de dichtheid twee keer zo groot is als nr. 1. Het aantal eenheden aan de voorkant op de praktische stof is echter bijna de helft kleiner dan geen. 1. Dit komt omdat de meer zinklussen met elkaar worden uitgerekt zodat het kolomuiterlijk kan worden gevormd. Naarmate de gebreide eenheid groter wordt, worden de diameter van de kolom en de dikte van de stoffen vergroot, waarbij het aantal eenheden aan de voorkant en het efficiënte contactoppervlak bij het activeren van bewegingen worden verminderd. In termen van ribstructuur met verschillende verhoudingen van gezicht en omgekeerde lus, vertoont het uiterlijk duidelijk het kenmerk van een enkelzijdige structuur, waarbij gebreide herhalingseenheden toenemen. Ondertussen is de walvisdichtheid van nee. 7 is zo groot als nr. 1 en nr. 5, maar het aantal gezichtsluseenheden heeft onderscheidende verschillen omdat het aantal gebreide eenheden zes lussen is die veel meer zijn dan geen. 1 (2 lussen) en nr. 5 (3 lussen), dus de uitvoerprestaties zijn lager dan die van nr. 1 en nr. 5. Hierdoor is de ribgebreide stof nr. 1 vertegenwoordigt de meeste gezichtsluseenheden in nrs. 1-10 tijdens de contact-scheidende bewegingen.

Aan de andere kant is het vorm-type gebreide textiel ontworpen door het verschillende aantal lussen die in de hele stof samenkomen en boogstructuren vormen. Omdat de koordlengte horizontaal is, vertoont de ribbeldichtheid van de stof bij benadering stabiliteit in de dwarsrichting. De boogstructuur biedt een benadering voor het scheiden van lading op het oppervlak, dat een holle binnenruimte heeft. Zo is de efficiëntie van het oogsten van verspilde mechanisme-energie verbeterd. Om de uitvoerprestaties te verbeteren, wordt een boogtype over het algemeen gemaakt van flexibele materialen met perfecte elasticiteit en duurzaamheid, zoals siliconensubstraten, maar het is moeilijk om in een industriële breimachine te worden gebreid om aan de commerciële vereisten te voldoen. Als het erom gaat te zien dat de boogstructuur is gebaseerd op het gebreide textiel in eerdere onderzoeken [24, 41, 50], moet de constructie worden genaaid of getapet, wat een complex en tijdrovend proces is. We presenteerden een gebreide boogtextiel dat is voorbereid door de hele vormtechniek zonder tweede productie die de hoge efficiëntie van de productie verleent. Van de horizontale koordstructuren vertoont de hoogte van 0,3 cm de laagste ladingsoutput vergeleken met de horizontale koordstructuur met vier en vijf naalden met een hoogte van respectievelijk 0,15 cm en 0,2 cm, wat kan worden beïnvloed door de lage stijfheid van gebreid textiel in een grote afstand tussen beide uiteinden vast. De hoogste convexe vorm is moeilijk om de boog met krachtdruk te behouden en te herstellen naar de oorspronkelijke vorm, wat ertoe leidt dat sommige ladingen worden geneutraliseerd. Als gevolg hiervan kan de afname van de booghoogte de tolerantie van convexe structuren vergroten. Dergelijke snoeren van het vormtype verminderen echter het effectieve contactoppervlak, een lijntype dat weinig gebieden heeft dan echt contact, waardoor de prestaties van het elektrische uitgangsvermogen afnemen.

Lussen hebben onregelmatige structuren, dus de evaluatie van hun geometrische eigenschappen, zoals steekgrootte en oppervlaktevorm, is een uitdaging. Om de onregelmatigheid van de lussen te identificeren, kan traditionele evaluatie, die een integrale dimensie is, niet worden gebruikt. De fractaltheorie wordt voorgesteld om de categorie van onregelmatigheden in onze omgeving en de natuur te analyseren. Het voorgestelde concept van fractale dimensie is een uitstekend hulpmiddel voor het vertonen van complexe morfologie die de regels, de complexiteit en de ruwheid van het textieloppervlak presenteert. Omdat niet alle fractals volledig op zichzelf lijken, wordt de wiskundige berekening gebruikt om de geometrieconfiguratie te beargumenteren. Om het oppervlak van de gebreide structuur te begrijpen, visualiseren sommige afbeeldingen de informatie in Fig. 5d. Zoals getoond in Fig. 5d, kan het kenmerk van een convex oppervlak intuïtief worden waargenomen vanuit verschillende perspectieven waar het bewijs voor het bevestigen van de verhoogde morfologie is.

Passende curve en enkele visuele afbeeldingen voor het breien van textiel. een De m*n ribstructuur. b De 2*m ribstructuur. c Sommige naald horizontale koordstructuur. d De visuele beelden van verschillende aspecten

The uneven surface has been formed with the knit structure designed caused by the yarn morphology and structure design. The fractal geometry is an efficient calculation for evaluating the textile surface and understanding the characteristic of knitted structures and ability of triboelectric charge generation. In fact, with the increase of the raised unit, it can improve the uneven knitted textile owing to the surface shape modified. Although all of the knitted textile own convex structures in longitude and transverse direction, the degree of similarity is still not confirmed that is the significant reference value for whether using fractal dimension successfully or not. To estimate the feasibility of fractal dimension, all of the knitted fabrics are calculated through measuring the width of the convex unit, the size of loops in length, and width when textiles stay in stable size. Figure 5 a, b, and c show the fitting curve of fractal dimension of nos. 1–10 type fabrics, and slope of a line means the fractal dimension. The existence of the relationship is found in convex structures of the ten different types of knitted textiles, which confirms the fractal characteristic of ten knitted fabrics. Therefore, the fractal theory applied in the analysis of diversity knit structure that is practicable.

Figure 6a–f illustrates the generated Isc and Voc based on the practical applications of contact and separation working KNGs, based on the structure types and shape types. There is a trend that a decrease with the knit unit increases about the Isc and Voc as shown in Fig. 6a–f. This is because the Isc is changed with the effective contact area which is affected by knit structures.

Schematic illustration of fractal dimension and generated Isc and Voc. een The Isc of m*n rib. b the Voc of the m*n rib. c The Isc of 2*m rib. d The Voc of the 2*m rib. e The Isc of n type. v The Voc of n type. g The D_f -transfer charge curve. u The F value curve

When calculating the D _f of various knit structures, the investigated knit structure states that the different knit structures have an unequal value which is non-integral dimension due to the different components of convex as demonstrated in Fig. 6g. As for Fig. 6g, this is the image of the transfer charge versus fractal dimension curve of diversity structures. The rib structure presents desirable output performance and the fractal dimension near the value of one. The TENGs based on structure-type knitted-textiles have a higher transfer charge than shape type and the value of D _f about the m*n rib type, 2*n rib type, and n type is in the range of 0–2, 0–1, and 1–2, respectively. Generally, the fractal dimension symbolizes the extent of surface roughness which is the roughness increasing with the large D _f . However, the shape-type fabrics are designed in horizontal cord with small line-contact area, so the roughness has little influence on the transfer charge.

In order to demonstrate the influence on D _f of convex structure homogeneity in rib structures, the random side length is chosen and calculated. The result exhibits as follow:

waar a is the length of the whole fabric, b is the width of the convex unit and is equal to the width of the whole fabric, l is the length of the convex unit, M is the number of the convex unit, N is the repeated multiple of self-similar units that is the length of convex units to the length of whole samples, and ε is the proportion of face loop and reverse loop, meaning the uniform of the convex distraction.

Then, the calculation of M en N can be used in the formulation (1-3), the result shows that obtained D _f is not the same with the D _f that is calculated based on the length of actualmeasurement as shown in Table 3. No matter how the raised structure is distributed, the value of D _f is affected by the practical length and number of cords.

It is noted that the fractal dimension of the 2*1 rib structure is close to the 1*1 rib reach at 0.99, and thus, the transfer charge is much the same as shown in Fig. 6g. The generated electrical-output performance shows the highest when the D _f is near the value of one. That has provided one guess if the fractal dimension can evaluate the surface morphology and character the output performance. To investigate the correlation of fractal and transfer charge, the difference between the fractal dimension and the value of one (named F value) has been illustrated in Fig. 6h. The operating results show a trend that is decreased F value can boost the much higher Voc, taking evidence for potential application of fractal dimension. However, the F value is regarded as an evaluation of the roughness structures, which needs to consider the properties of the primary loop of the structure. Then, the influence on transfer charge is discussed comprehensively. The sample of no. 4 and no. 6 has a similar F value, but the massive difference exists on both of output performance. The surface morphology of no. 4 shows the planar structure due to the same number of face and reverse loops, so the transfer charge is low. But no. 6 has prominent appearance due to the reverse loops over the face stitches and the generated large transfer charge when contacting and separating. Therefore, the selection and design of the knitted structure of the textile based on the F value highly improved the generated total electrical charge, which is an indispensable requirement for construct a high-effective flexible self-power device based on the knitted textiles.