Verbetering van de transferlading in triboelektrische nanogeneratoren met gestrickte structuur via analyse van oppervlaktemorfologie

Samenvatting

Het oogsten van verspilde biomechanische energie biedt een veelbelovende aanpak om de energievoeding van draagbare apparaten te verbeteren en hun levensduur te verlengen. De oppervlaktemorfologie is een significante factor voor het verbeteren van de uitvoerprestaties van een triboelektrische nanogenerator (TENG); echter, er bestaat een beperking bij het evalueren van de morfologie van het oppervlak en zijn impact op de stroomopwekking. Om de relatie tussen oppervlaktemorfologie en transferlading te evalueren, is een wiskundige theorie - de fractale meetkundetheorie - voorgesteld om de kenmerken van oneffen oppervlaktemorfologie te analyseren. Deze theorie leverde een goed begrip van het contactoppervlak en de ruwheid van het oppervlak. We hebben drie categorieën gestrickte structuren met snoerachtige uiterlijk ontworpen met behulp van een platte stikmachine en hun oppervlaktekenmerken geanalyseerd. Tegelijkertijd kunnen de geometrische structuren worden gedemonstreerd door de fractale dimensie voor het evalueren van de gegenereerde uitvoerprestaties tijdens contact en scheiding. Het huidige onderzoek toont aan dat, met het toenemende aantal gestrickte eenheden, de triboelektrische stroomopwekkingsprestaties blijven afnemen vanwege het afnemende beschikbare contactoppervlak. Na berekening van de fractale dimensie van verschillende gestrickte structuren, tonen de m*n rib-structuren een hoge transferlading wanneer de fractale dimensie zich nert getal één, met name de fractale dimensie van de 1*1 rib-structuur die 0,99 kan bereiken. De fractaletheorie kan verder worden gebruikt als een benadering om de invloed te evalueren op de uitvoerprestaties van oneffen oppervlaktemorfologie, ongeacht de uniforme convexe eenheidsdistractie. Het resultaat van dit onderzoek toonde ook de haalbaarheid aan van een gestrickte triboelektrische nanogenerator bij het oogsten van biomechanische energie voor het voeden van draagbare elektronica geïntegreerd in kleding.

Inleiding

Geavanceerde intelligentietechnieken hebben de wereld overspoeld en hebben nieuwe flexibele slimme draagbare apparaten voortgebracht, zoals gezondheidstrackingsensoren, gebaarherkenningsapparaten, elektronische huid (E-huiden), flexibele circuits en optische vezelwearables. Echter, met nadelen als groot gewicht, lage conversie-efficiëntie, ernstige milieuvervuiling en korte batterijlevensduur, is de energietoeverlaag de enorme beperking voor de ontwikkeling van elektronica. Sinds de eerste triboelektrische nanogenerator (TENG) in 2012 met succes is ontwikkeld, heeft deze, gebaseerd op kenmerken als kleine schaal, lichtgewicht, diverse materialen, veiligheid, milieuvriendelijkheid en hoge efficiëntie, een veelbelovende en effectieve strategie geboden om de bovenstaande problemen aan te pakken. Samen met de snelle opkomst van TENG's die werken door een gekoppeld effect van contactelektrificatie en elektrostatische inductie, is het bevestigd als één wenselijke aanpak om mechanische energie uit onze omgeving te winnen, met name door het oogsten van laagfrequente en onregelmatige bewegingen (waaronder wind, waterval en menselijke beweging, biomechanische energie, etc.), het realiseren van gegevensoverdracht en energieaanvulling in het Internet of Things (IoT). Voor draagbare apparaten worden textielen beschouwd als het beste substraat, vanwege hun structurele retentie en vermoeidheidsweerstand, zachtheid, integratie en hoge porositeit. Tot nu toe is de integratie van een triboelektrische nanogenerator en traditionele textiel één van de veelbelovende kandidaten voor mensgerichte draagbare apparaten, zoals zelfvoorziene flexibele sensoren, draagbare energie-oogsters en textielgebaseerde energiedressystemen. Het voorziet conventionele textiel ook van functionaliteit, intelligentie en hoge toegevoegde waarde. Deze elektronische apparaten op textielbasis voldoen aan de eisen van lichtgewicht, goedkoop, comfortabel, ademend, draagbaar, langdurig en wasbaar voor routinematig gebruik. Bovendien is het gemakkelijk om textiel met variabele kleuren en rijke patroonontwerpen te maken, wat aantrekkelijkheid vertegenwoordigt voor intelligente textiel. Vooral gestrickte textiel met kleine rek en grote deformatie is gevoelig voor signaalgeneratie en daarom ideaal voor flexibele sensoren, waarbij bewegingsweerstand wordt overwonnen en energieverlies wordt verminderd. Daarnaast zijn wrijvingen en deformaties van gestrickte textiel veelvoorkomende verschijnselen die een spannend perspectief bieden voor het construeren van een triboelektrische nanogenerator.

Zoals we alle weten, is oppervlaktemorfologiewijziging een significante aanpak om de uitvoerprestaties van TENG's te verbeteren. De meeste zijn gericht op het vergroten van het beschikbare contactoppervlak en de ruwheid van het oppervlak. Er zijn twee primaire methoden die de oppervlaktemorfologie veranderen: oppervlakte-etsen en oppervlakte-replicatie. Echter, het gebruik van hoog dure, beperkte behandeloppervlakken en meerstaps fabricagetechnieken om het uiterlijk van het oppervlak te genereren, is moeilijk voor industriële productie. Hierin onderzocht Li et al. een polydimethylsiloxaan (PDMS) film met oppervlaktemicrostructuren afgelost van schuurpapier, wat een één-proces en laagkost methode was om verschillende ruwheden van het oppervlak te bereiden. De experimentele resultaten toonden de gegenereerde maximale uitvoer van 46,52 V onder de ruwheidsklasse van 3000 gedetecteerd door een 3D optisch oppervlakprofiel. Bovendien kunnen te veel microstructuren het effectieve contactoppervlak ernstig verminderen en leiden tot reductie van het vermogen om energie op te wekken. De grootte van TENG's was beperkt door het schuurpapieroppervlak, wat leidde tot verhoogde fabricagekosten. Tegenwoordig krijgen textielstructuren steeds meer aandacht vanwege de vorming van rijke oppervlakteverschijnselen zonder het complexe fabricatieproces en hoge kosten. Voor een volledig begrip van textieloppervlakteverschijnselen, moeten enkele factoren worden overwogen in termen van unieke componenten en structuurkenmerken, waaronder de draaduitstraling, textielfysische parameters en gestrickte structuren. Vervolgens onderzochten Kwak et al. het contactoppervlak van drie structuren (waaronder plat-, dubbele- en rib-stofstructuren) tijdens rekken en bespraken de bijdrage aan het verbeteren van de potentie. Het was de moeite waard dat rib-stof tot 30% gerekt kan worden, het contactoppervlak vergrotend tot 180 cm². Afhankelijk van het bestaande middengebied, kan rib-stof sterk gerekt worden, wat een hogere potentie kan verkrijgen voor het vergroten van het contactoppervlak. Als primaire element van de textielstructuur, werd de karakteristiek van lussen geanalyseerd, wat ook de significante factor was voor het beïnvloeden van het uiterlijk van het oppervlak. Huang et al. richtten zich op het effect van basisparameters van textiel (waaronder luspoten, luszinkers en textieldichtheid) om het verschil in uitvoerprestaties te bevestigen. De grote steekdichtheid stofgebaseerde triboelektrische nanogenerator kon hogere elektrische energie genereren met een maximale piekvermogensdichtheid van 203 mW m⁻² bij 80 MΩ, wat een groter effectief contactoppervlak creëert. Het resultaat toonde aan dat de oppervlaktemorfologieën van verschillende stofstructuren een invloed hadden op de elektrische-uitvoer capaciteit. Om veel meer energie te oogsten voor het verlengen van de levensduur, werden 3D dubbelzijdige interlock steek textielen gestrikt door dubbele naaldbed platte, die dezelfde uitvoerprestaties aan de voor- en achterzijde vertoonden. Daarnaast kon de TENG's gebaseerd op de driedimensionale textielstructuur een hoge vermogensdichtheid van 3,4 mW m⁻² genereren bij de externe weerstand van 200 MΩ, wat aantoont dat de capaciteit van energie-oogst is verbeterd. Echter, de bovengenoemde oppervlakteverschijnselen hebben weinig beschrijving van de geometrische vorm van het oppervlak, en factoren over gegenereerde transferlading lijden nog steeds onder gebrek aan specifieke verklaringen. Er is geen universele manier die het uiterlijk van het oppervlak kan karakteriseren, wat de noodzaak oplevert om een evaluatie van oneffen morfologie te vinden. Dit is de beperking voor het volledig begrijpen van de transferlading op de triboelektrische nanogenerator op dit moment.

Het doel van oppervlakteanalyse is om de geometrische structuren van textiel te karakteriseren, wat getest kan worden in twee benaderingen: contactmethode en optische methode. De contactmethode kan de oppervlaktemorfologie goed beschrijven, maar de benodigde tijd is veel langer, en de naald laat een spoor op het oppervlak. Vergeleken met de contactmethode, met de voordelen van korte meetlaag, lage belasting van het oppervlak en gemakkelijke detectie, is de optische methode gebruikt voor het detecteren van oppervlakteruwheid. Echter, de valse gaten en hoge ruisniveau kunnen het oordeel over de echte oppervlaktemorfologie verminderen.

Het wiskundige hulpmiddel is een theorie-analyse die kan worden gebruikt om de mate van oppervlakteruwheid te kwantificeren. Het is een nieuwe benadering om het oneffen oppervlak te evalueren. Met zo'n oneffen oppervlak kan de conventionele wiskundige methode van Euclidische meetkunde niet worden gebruikt, omdat het echt moeilijk is om de kwantitatieve geometrische dimensie en meetnauwkeurigheid te beoordelen, zoals lengte van segment en gewicht van het object. Echter, fractale meetkunde, een benadering genaamd door Mandelbrot voor het beschrijven van oneffen structuren, is aangeboden om het probleem op te lossen en de oneffenheid in de natuur te definiëren, zoals de fysische eigenschappen van schuim en evaluatie voor stofgladheid. Bijna alle oneffe oppervlakken kunnen worden verdeeld in sommige zelf-vergelijkbare delen die kunnen worden afgebeeld door een niet-integrale dimensie, genaamd fractale dimensie (Df). Gebaseerd op de diverse geometrische oppervlakken, moet de waarde van Df worden overwogen en geanalyseerd die een effect heeft op de ruwheid en het efficiënte contactoppervlak in het ontwerp van een triboelektrische nanogenerator, het optimaliseren van de capaciteit om menselijke bewegingen om te zetten in elektriciteit.

Hierin presenteren we in dit werk de diverse oppervlaktemorfologieën op basis van gestrickte structuren die worden aangenomen als één van de dielectrische lagen. De gestrickte-textiel-gebaseerde TENG is geproduceerd door gebruik te maken van commerciële draden en industriële stikmachines, wat grootschalige productie en praktische toepassingen kan realiseren. Om de fladderende handbeweging na te bootsen, zijn TENG's ontworpen in de contact-scheiding werkmode (CS), wat het eenvoudigste werkm mechanisme is. De gestrickte structuren zijn gevormd in twee soorten benaderingen, waaronder structuur- en vormgebaseerde convexe-concave oppervlaktemorfologie. Vanwege de diversiteit van gestrickte structuren, kunnen de resulterende oppervlakteverschijnselen systematisch worden onderzocht en geanalyseerd voor het bevestigen van de relatie tussen oppervlaktemorfologie en gestrickte structuren. De Df van elk stof kan worden berekend door het toepassen van het geschikte fractale principe, de ruwheid van het stofoppervlak evaluerend. De maximale transferlading van het oppervlakteverschijnsel in 1*1 rib kan tot 91,66 nC oplopen door fladderen en loslaten beweging, wat de fractale dimensie van 0,99 verkrijgt. En een interessant fenomeen toont aan dat met de waarde van Df zich naderend tot het getal één, de transferlading hoger kan zijn. Ten slotte kan het gebruik van de fractaletheorie en gestrickte structuren een effectieve methode bieden voor het kwantitatief evalueren van de transferlading en worden verwacht van hulp te zijn bij het ontwerpen van gestrickte-textiel-gebaseerde TENG's met meer efficiëntie, industriële productie en goedkope kosten.

Materialen en Methodes

Materialen

De nylon garens (dtex 600, AnTong KeJia Textile fiber products Co., Ltd.) die algemeen beschikbaar waren, werden gestrikt tot twee soorten rib textielen en convexe stoffen met een gaafte van 15 (naald/inch) op de hele kledingmachine (SHIMA Seiki Co., Japan). De film van polytetrafluoroetheen (PTFE) met een dikte van 0,05 cm (Chenqi Electrical Technique Co. Ltd.) wordt gebruikt. De gebogen en gedraaide electrode is commercieel koperfolie (Shenzhen Biaozhitape Co. Ltd) met een dikte van 0,06 mm geplakt op de achterkant van gestrickte textiel voor het overbrengen van gepolariseerde lading.

Fabricage van de Gestrickte Stoffen en Gestrickte-Textiel-Gebaseerde Triboelektrische Nanogenerator

De weefttechniek als representatieve stikmethode kan stoffen gemakkelijk voorzien van hoge rekbaarheid, lage kost en esthetische prestaties. Met de voordelen van positionering stikken, kunnen de energietextiel in kleding geïntegreerd worden zonder additionele naaitechnieken. Er zijn tien convexe-concave texturen ontworpen die worden afgebeeld in Tabel 1. Om de relatie tussen oppervlaktemorfologie en transferlading te demonstreren, zijn lengte- en dwars snoeren gestrikt op het oppervlak van de textiel. Dus tien verschillende texturen worden afgebeeld in Tabel 1, waarin de eerste zeven monsters lengte snoer op het oppervlak tonen, en de oppervlakteverschijnselen van nr. 8, nr. 9 en nr. 10 zijn dwars convexe. Hier worden de structuren gestrikt door een gecomputeriseerde platte stikmachine die geschikt is voor hoog-efficiënt industriële proces, en de textiel zijn in staat om de maat op maat te knippen. Via het eigen ontwerpsysteem kunnen stoffen snel worden ontworpen en gemakkelijk bereid, vooral voor het ontwerpen van ingewikkelde patronen. Alle stoffen moeten 24 uur liggen onder standaard atmosferische condities om de stof te ontspannen tot de staat van maatstabiel, wat gericht is op het verminderen van de invloed van ontspanningskrimp en het verbeteren van de testnauwkeurigheid. Vervolgens werd dezelfde grootte geleidende tape geplakt op de achterkant van textiel. Gebaseerd op de hoog polariseerbare nanopartikelen, werd de film gemaakt van PTFE aangenomen als het andere dielectrische materiaal. De film wordt nog steeds gehecht aan een stuk koperfolie, elektronenmigratie overbrengend. Wat betreft de CS, zijn geleidende draden verbonden met twee wrijvingsmodellen, die in de verticale richting bewegen. Vervolgens zijn de CS-gebaseerde textiel TENG's geproduceerd.

Fractale Karakters van Gestrickte Stoffen

Niet alle natuurlijke objecten zijn van onvolledige regelmatige vorm en grens, waaronder kustlijn, sneeuwvlok, wolk en blad. Daarom wordt de fractale dimensie gebruikt om de oneffen morfologie te beschrijven die gegenereerd wordt door verschillende methoden, wat een effectieve methode is geïdentificeerd in veel onderzoekswerken. Er zijn verschillende formuleringen gedefinieerd als fractale dimensie, waaronder de Hausdorff dimensie, de tellende box dimensie en vergelijkbare dimensie e.a., wat de cruciale parameter is om de stijl van het oppervlak te kwantificeren. De typische fractale dimensie was de Kohn kromme zoals een sneeuwvlok, die voor het eerst in 1904 gepresenteerd werd. Het gebied begrensd door drie zelf-vergelijkbaarheden met oneindig is beperkt, genaamd Kohn krommes, welke fractale dimensie 1,2618 is. Over het algemeen kan de fractale dimensie worden berekend door schaal a, wat de lengte, breedte en oppervlakte aangeeft. De volgende formule kan de relatie presenteren: F(a) ≈ a^Df, waar Df de fractale dimensie is die getoond wordt in de helling van een log-log plot.

De oneffen oppervlakte fractale dimensie, Df, kan worden bepaald in een benadering van Hausdorff dimensie die gebaseerd is op de relatieve grootte analyse van een vergelijkbare eenheid. Als de factor van het vormen van snoer oppervlak, het convexe district dat verschillende micro-convexe structuureenheden met verschillende randen en aantal omvat, kan worden uitgedrukt als: M = N^Df, waar M het aantal van de convexe eenheid is, N het herhaalde multiple zelf-vergelijkbare eenheden dat de lengte van convexe eenheden is tot de lengte van hele monsters, en Df de opgeregelde structuren's fractale dimensie. De vergelijking is een model dat kan worden gebruikt om de oppervlaktemorfologie te voorspellen, dus: Df = log M / log N.

Karakterisatie

De Dino-lite edge digitale microscoop (AnMo electronic corporation) werd gebruikt om de dichtheid van gestrickte stoffen te meten vanaf foto-afbeeldingen. De elektriciteits signalen van gestrickte-stof triboelektrische nanogenerator tijdens contacten en scheiden mode werden bediend door een zelf-samenstel lineaire motor en een electrometer (Keithley 6514 systeem) gebaseerd op het LabVIEW systeem.

Resultaten en Discussie

Om wrijvingsmaterialen te bevestigen, is de triboelektrische volgorde de significante referentie, die de triboelektrische polarisatie van verschillende gemeenschappelijke materialen kwantificeert. De triboelektrische volgorde presenteert dat de ene kant ladingaannemend vermogen toont en de andere kant een hoge capaciteit bezit om elektronen te verliezen, wat gedefinieerd is als de fundamentele materiaalprestatie. Om de uitstekende uitvoerprestaties te verkrijgen, worden een paar materialen geselecteerd die toegeschreven moeten worden aan de triboelektrische reeks met een aanzienlijke afstand, het potentiële verschil vergrotend. Hierin is de ene de commerciële, laagkost, uitstekende slijtvaste en sterk positief geladen neiging (nylon) en de andere toont negatief geladen neiging (PTFE). In dit werk hebben we de PTFE membraan geselecteerd zonder enige behandelingen op het oppervlak. Hierin is de enige factor gestrickte structuren die kunnen worden geanalyseerd door de prestaties van het overbrengen van lading. Een ander kritisch element is het elektrodemateriaal dat koperfolie is met hoge flexibiliteit, die direct kan worden geplakt, wat een eenvoudig en één-stap fabricatieproces is. Vergeleken met het edele metaal zilver en goud, is de prijs van koperfolie goedkoop en kan worden gebruikt om de economische producten te fabriceren. Dus koper is breed toegepast als flexibele circuits en elektrode in het ontwerp van slimme apparaten.

Op dit moment zijn er vier universele werkmode-geoperereerde TENG's die corresponderen met de verschillende elektrodestructuren en bewegingen. Met voordelen van gemakkelijke fabricatie, de overvloedige materiaalselectie, wederkerige verticale richtingsbewegingen, zijn de CS TENG's de eerste diepgaande onderzochte die de potentiële capaciteit hebben voor het oogsten van sommige biomechanische energie, zoals fladderende handen, wandelen en rennen. Hier, om het invloedprincipe van de oppervlaktestructuren te onderzoeken, zijn de triboelektrische nanogeneratoren op basis van gestrickte textiel (KNGs) ontworpen, corresponderend met het contact en de scheiding tussen nylon stof en PTFE film. Het proces van het assembleren van de triboelektrische nanogenerator wordt gepresenteerd in Fig. 1a, bestaande uit gestrickte stoffen, PTFE membraan en koperfolie. De veelzijdigheid van flexibele gestrickte stof in termen van zijn capaciteit tot krullen, buigen, drapen en vouwen in elke richting is op maat gemaakt in diverse schalen afgebeeld in Fig. 1b. De KNG's kunnen worden ontworpen op basis van de vereiste van toepassingspositie en de esthetiek van kleding. De diversiteit van gestrickte structuren is gestrikt met verschillende oppervlakteverschijnselen, en vervolgens zijn deze foto's van het textieloppervlak getoond in Fig. 1c.

Het werkingsmechanisme van de KNG's wordt eenvoudig gepresenteerd in Fig. 2a. Om de transferlading te meten, zijn de maximale afstand en de frequentie van bewegingen van de lineaire motor ingesteld als 10 cm en 0,3 Hz voor het simuleren van fladderende handbewegingen, respectievelijk. Wat betreft de algemene monitoring, worden de open-circuitspanning (Voc), kortsluitstroom (Isc) en transferlading (Qsc) gemeten door een mechanische lineaire motor. In de oorspronkelijke toestand (Fig. 2 ai), produceerde de nylon textiel positieve ladingen en de PTFE film was geladen met negatieve ladingen vanwege de elektrostatische inductie en behoud van ladingen. Toen het apparaat werd ingedrukt (Fig. 2 aii), zal een krimp van de kloof tussen beide contactoppervlakken leiden tot de positieve lading die ophoopt in de electrode geplakt op de PTFE. De elektronen stromen vanuit het externe circuit voor het balanceren van het potentiële verschil. Het was de moeite waard om te constateren dat het equivalente aantal elektronen kan worden behouden op het oppervlak van het contactoppervlak omdat beide dielectrische materialen isolatoren zijn (Fig. 2 aiii). Terwijl de PTFE terugbeweegt (Fig. 2aiv), keert het proces om en de elektriciteit zal opnieuw balans bereiken tussen nylon textiel en PTFE, reflecterend de neutralisatie van ladingen. Gevolglik zullen de elektronen terugstromen voor elektrische potentiële verschillen. In deze situatie konden de KNG's Isc en Voc genereren, die een kenmerk van periodieke verandering hebben, getoond in Fig. 2 b en c. In Fig. 2b en c is het inset een vergrote grafiek die beschreven wordt in één cyclus.

Om convexe structuren op het textieloppervlak te fabriceren, worden twee soorten methoden gebruikt, waaronder structuurontwerp en vormvorming, zoals getoond in Fig. 3. Het structuurontwerp is afhankelijk van de verschillende verhouding van de voorste lus steken en de omgekeerde lus steken. De totale monsters zijn ontworpen in zeven rib typen, 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 rib heeft een verticale snoerachtige uiterlijk door de voorste lus walen die neigen om over en voor de omgekeerde lus walen te bewegen; dan kan de maximale snoerhoogte 0,2 cm bereiken. De rib van m*n (m = n = 1, 2, 3, 4) kan gebalanceerd worden door afwisselende walen van voorste lussen aan elke kant, dus het ligt plat zonder krul na het knippen. En beide kanten van de textiel zijn hetzelfde uiterlijk zoals getoond in Fig. 3e. Echter, de verschillende verhoudingen van voorste en omgekeerde lussen in 2*m rib structuren, er komt een onderscheidend oppervlak naar voren, zoals getoond in Fig. 3f. Daarnaast is het rekproces van rib stof verdeeld in twee stadia, waaronder de omgekeerde walen intermeshing aan beide kanten totdat gerekt wordt om de omgekeerde lus walen ertussen te onthullen en dan worden gehele lussen voortgezet om te rekken tot meer dan twee keer zo breed als een equivalent enkelvoudige stof. Daarom, vergeleken met platte stoffen, hebben rib textielen potentieel om de rekbare capaciteit te vergroten voor het oogsten van fladderende en rekbewegingen (dwars richting en lengte) tijdens de contact-scheiding werkmode. De andere methode voor het vestigen van verhoogde structuur is de vormdeformatie waarbij de laag lucht wordt gevormd op het oppervlak van de n (n = 4, 5, 6) textiel die geïllustreerd wordt in Fig. 3c. De dikte van het dwarsdoorsnede gebied is in het bereik van 0,15 tot 0,3 cm. De karakteristiek van de laag lucht is een prominente boogstructuur die wat ruimte kan bieden voor het versnellen van elektronscheiding bij het triggeren van bewegingen. Bovenstaand alles, gestrickte textiel zijn ontworpen door een gecomputeriseerde platte machine die de stiklocatie nauwkeurigheid kan realiseren, het hele kledingstuk vormend en slimme materialen perfect in stof integrerend. Zo'n stiktechnieken nomenclatuur is gemarkeerd op Fig. 3d die de kenmerken van de structuur correct afbeeldt.

Eerder werk toonde aan dat het effectieve contactoppervlak van de voorzijde veel meer was dan de achterkant van de textiel; resulterend in transferlading was twee keer zo hoog als de uitvoerprestaties van de achterzijde. Dit is omdat de lengte van de naaldlus langer was dan de zinkerlus. Daarom, om de uitvoerprestaties te verbeteren en slechts één invloedrijke factor te creëren, bestaan de contactverhoogde structuren uit voorste lussen. De uitvoeren van de KNG's afhankelijk van het aantal convexe eenheden zijn afbeeld in Fig. 4. Een dalende trend waarbij het contactoppervlak van alle geteste textiel afnam met het aantal verhoogde eenheden werd gevormd. Ook zijn de meer significante elektrische ladingen in de sequentiële volgorde van de 1*1 rib, 2*1 rib, en vier naald vorm-type structuren (het eerste punt van elke lijn) met de waarden van 91,66 nC, 90,19 nC en 69,64 nC, respectievelijk.

Vervolgens worden de gestrickte structuren met de verschillende oppervlaktemorfologieën in aspecten van diversiteit waaldichtheid, aantal voorste eenheden en structuren onderzocht. Alle parameters van tien soorten gestrickte textiel zijn getest en vastgelegd in Tabel 2. Opvallend is dat de rij dichtheid altijd constant is omdat het snoerachtige uiterlijk is gegroeid langs de verticale richting bij het analyseren van monster nrs. 1–7. Dus waaldichtheid als de hoofdfactor die besproken moet worden, verwijst naar de kenmerken van verschillende gestrickte structuren. Het is duidelijk dat voorste lus en omgekeerde lus dezelfde verhouding hebben in de nrs. 1-4, ongeveer 50%. Deze textiel tonen dezelfde structuren ongeacht wat de voor- of achterzijde is, gebaseerd op de dubbele stikstikken. De gemiddelde dikte toont hoger vergeleken met de monster nrs. 5–7 die bestaan uit een verschillend aantal voorste steken en reserve steken. Textuur nr. 4 bezit de grootste herhaalde eenheid dat de waaldichtheid twee keer zo groot is als nr. 1. Echter, het aantal voorste eenheden op de praktische stof is bijna een halve daling dan nr. 1. Dit is omdat de meer zinkerlussen met elkaar gerekt worden zodat het kolomachtige uiterlijk kan worden gevormd. Met het gestrickte eenheid toenemend, worden de diameter van de kolom en de dikte van stoffen vergroot, hierbij, het aantal voorste eenheden en het efficiënte contactoppervlak verminderend bij het triggeren van bewegingen. In termen van rib-structuur met verschillende verhoudingen van voorste en omgekeerde lus, toont het uiterlijk de karakteristiek van eenzijdige structuur duidelijk, met gestrickte herhaalde eenheden toenemend. Tegelijkertijd is de waaldichtheid van nr. 7 even groot als nr. 1 en nr. 5, maar het aantal voorste lus eenheden heeft kenmerkende verschillen vanwege het aantal van de gestrickte eenheid is zes lussen die veel meer zijn dan nr. 1 (2 lussen) en nr. 5 (3 lussen), dus de uitvoerprestaties zijn lager dan die van nr. 1 en nr. 5. Als resultaat, vertegenwoordigt de geribde gestrickte stof nr. 1 de meeste voorste lus eenheden in nrs. 1–10 tijdens de contact-scheiding bewegingen.

Aan de andere kant, de vorm-type gestrickte textiel is ontworpen door het verschillende aantal lussen te assembleren in de hele stof, boogstructuren vormend. Vanwege de richting van de snoerlengte is horizontaal, toont de waaldichtheid van de stof benaderende stabiliteit in de dwarsrichting. De boogstructuur biedt een aanpak voor het scheiden van lading op het oppervlak, die een holle binnenruimte heeft. Dus de efficiëntie van het oogsten van verspilde mechanische energie is verbeterd. Over het algemeen, om de uitvoerprestaties te verbeteren, is een boogtype gemaakt van flexibele materialen met perfecte elasticiteit en duurzaamheid, zoals silicium substraten, maar het is moeilijk om industriële stikmachine te stikken voor het voldoen aan de commerciële eisen. Wanneer het aankomt op het zien van de boogstructuur gebaseerd op de gestrickte textiel in eerdere onderzoeken, heeft de constructie nodig om te worden genaaid of getaped, wat een complex en tijdrovend proces is. We presenteerden een gestrickte-boog textiel die bereid is door de hele vormtechniek zonder tweede fabricatie die de hoge efficiëntie van productie toekent. Onder de horizontale snoer structuren, toont de 0,3-cm hoogte de laagste ladinguitvoer vergeleken met vier naald en vijf naald horizontale snoer structuur met de hoogte van 0,15 cm en 0,2 cm, respectievelijk, wat beïnvloed kan worden door de lage stijfheid van gestrickte textiel in een grote afstand tussen beide uiteinden vast. De hoogste convexe vorm is moeilijk om boog te houden met kracht druk en te herstellen tot oorspronkelijke vorm, wat leidt tot sommige ladingen genaturaliseerd. Als resultaat, de daling van de booghoogte kan de tolerantie van convexe structuren verbeteren. Echter, dergelijke vorm-type snoeren verminderen het effectieve contactoppervlak wat een lijntype is dat weinig oppervlakken heeft dan echte contact, de prestaties van elektrische-uitvoer verminderend.

Lussen hebben oneffen structuren, dus de evaluatie van hun geometrische eigenschappen zoals steekgrootte en oppervlaktevorm is uitdagend. Om de oneffenheid van de lussen te identificeren, kan traditionele evaluatie die een integrale dimensie is, niet worden gebruikt. De fractaletheorie wordt voorgesteld om de categorie van oneffenheid in onze omgeving en natuur te analyseren. Het voorgestelde concept van fractale dimensie is een uitstekend hulpmiddel voor het tonen van complexe morfologie die de regels, de complexiteit en de ruwheid van het textieloppervlak presenteert. Omdat alle fractalen niet volledig zelf-vergelijkbaar zijn, wordt de wiskundige berekening gebruikt om de geometrische configuratie te argumenteren. Om de gestrickte structuur's oppervlak te begrijpen, visualiseren sommige afbeeldingen de informatie die gedragen wordt in Fig. 5d. Zoals getoond in Fig. 5d, kan de karakteristiek van convexe oppervlak intuïtief worden waargenomen vanuit verschillende perspectieven waar het bewijs voor het bevestigen van de verhoogde morfologie is.

Het oneffen oppervlak is gevormd met de gestrickte structuur ontworpen veroorzaakt door de draadmorfologie en structuurontwerp. De fractale meetkunde is een efficiënte berekening voor het evalueren van het textieloppervlak en het begrijpen van de karakteristiek van gestrickte structuren en capaciteit van triboelektrische ladinggeneratie. In feite, met de toename van de verhoogde eenheid, kan het de oneffen gestrickte textiel verbeteren door het oppervlaktevorm gewijzigd. Hoewel al de gestrickte textiel convexe structuren bezitten in lengte- en dwarsrichting, is de graad van vergelijkbaarheid nog niet bevestigd wat de significante referentiewaarde is voor of fractale dimensie succesvol kan worden gebruikt of niet. Om de haalbaarheid van fractale dimensie te schatten, worden alle gestrickte stoffen berekend door het meten van de breedte van de convexe eenheid, de grootte van lussen in lengte en breedte wanneer textiel in stabiele maat blijven. Figuur 5 a, b en c tonen de passende kromme van fractale dimensie van nrs. 1–10 type stoffen, en helling van een lijn betekent de fractale dimensie. Het bestaan van de relatie is gevonden in convexe structuren van de tien verschillende typen gestrickte textiel, wat de fractale karakteristiek van tien gestrickte stoffen bevestigt. Daarom is de fractaletheorie toegepast in de analyse van diversiteit gestrickte structuur die haalbaar is.

Figuur 6a–f illustreert de gegenereerde Isc en Voc gebaseerd op de praktische toepassingen van contact en scheiding werkende KNG's, gebaseerd op de structuur types en vorm types. Er is een trend dat een afname met het gestrikte eenheid toeneemt over de Isc en Voc zoals getoond in Fig. 6a–f. Dit is omdat de Isc verandert met het effectieve contactoppervlak wat beïnvloed wordt door gestrickte structuren.

Bij het berekenen van de Df van diverse gestrickte structuren, stelt het onderzochte gestrickte structuur dat de verschillende gestrickte structuren een ongelijke waarde hebben welke niet-integrale dimensie is vanwege de verschillende componenten van convexe zoals gedemonstreerd in Fig. 6g. Wat betreft Fig. 6g, dit is de afbeelding van de transferlading versus fractale dimensie kromme van diversiteit structuren. De rib structuur presenteert wenselijke uitvoerprestaties en de fractale dimensie nabij de waarde van één. De TENG's gebaseerd op structuur-type gestrickte-textiel hebben een hogere transferlading dan vorm type en de waarde van Df over de m*n rib type, 2*n rib type en n type is in het bereik van 0–2, 0–1 en 1–2, respectievelijk. Over het algemeen symboliseert de fractale dimensie de mate van oppervlakteruwheid wat de ruwheid toeneemt met de grote Df. Echter, de vorm-type stoffen zijn ontworpen in horizontale snoer met kleine lijn-contactoppervlak, dus de ruwheid heeft weinig invloed op de transferlading.

Om de invloed op Df van convexe structuur homogeniteit in rib structuren te demonstreren, is de willekeurige zijkant lengte gekozen en berekend. Het resultaat toont als volgt: ε(a*b) = M(l*b) en N = a/l, waar a de lengte van de hele stof is, b de breedte van de convexe eenheid en gelijk is aan de breedte van de hele stof, l de lengte van de convexe eenheid is, M het aantal van de convexe eenheid is, N het herhaalde multiple van zelf-vergelijkbare eenheden dat de lengte van convexe eenheden is tot de lengte van hele monsters, en ε de verhouding van voorste lus en omgekeerde lus is, betekenis de uniformiteit van de convexe distractie.

Vervolgens kan de berekening van M en N worden gebruikt in de formulering (1-3), het resultaat toont dat verkregen Df niet hetzelfde is met de Df die berekend is gebaseerd op de lengte van daadwerkelijke meting zoals getoond in Tabel 3. Ongeacht hoe de verhoogde structuur verdeeld is, wordt de waarde van Df beïnvloed door de praktische lengte en aantal snoeren.

Het is op te merken dat de fractale dimensie van de 2*1 rib structuur dicht bij de 1*1 rib ligt bij 0,99, en dus is de transferlading ongeveer hetzelfde zoals getoond in Fig. 6g. De gegenereerde elektrische-uitvoerprestaties tonen de hoogste wanneer de Df nabij de waarde van één is. Dat heeft één gok gegeven of de fractale dimensie de oppervlaktemorfologie kan evalueren en de uitvoerprestaties kan karakteriseren. Om de correlatie van fractale en transferlading te onderzoeken, is het verschil tussen de fractale dimensie en de waarde van één (genaamd F waarde) geïllustreerd in Fig. 6h. De werkingresultaten tonen een trend die is afgenomen F waarde kan de veel hogere Voc boosten, bewijs leverend voor potentiële toepassing van fractale dimensie. Echter, de F waarde wordt beschouwd als een evaluatie van de ruwheid structuren, wat de eigenschappen van de primaire lus van de structuur moet overwegen. Dan wordt de invloed op transferlading uitgebreid besproken. Het monster van nr. 4 en nr. 6 heeft een vergelijkbare F waarde, maar het massive verschil bestaat op beide van de uitvoerprestaties. De oppervlaktemorfologie van nr. 4 toont de vlakke structuur vanwege hetzelfde aantal voorste en omgekeerde lussen, dus de transferlading is laag. Maar nr. 6 heeft prominente uiterlijk door de omgekeerde lussen over de voorste steken en de gegenereerde grote transferlading bij contacten en scheiden. Daarom, de selectie en ontwerp van de gestrickte structuur van de textiel gebaseerd op de F waarde verbetert de gegenereerde totale elektrische lading sterk, wat een onmisbare vereiste is voor het construeren van een hoog-effectief flexibel zelf-energie apparaat gebaseerd op de gestrickte textiel.

Conclusie

We hebben gedemonstreerd dat de gestrickte textiel met hoge flexibiliteit en uitstekende transferlading kan worden toegepast in flexibele TENG's voor het oogsten van oneffen en laagfrequente biomechanische energie, die een uitstekende uitvoerprestatie bezit. Om de relatie tussen oppervlaktemorfologie en uitvoereigenschap te identificeren, is fractaletheorie gebruikt om de oppervlaktegeometrie te kwantificeren en gebruikt om de invloed ervan te evalueren op de transferlading capaciteit van oppervlakteverschijnsel. Verschillende gestrickte structuren zijn geproduceerd die hun impact op energie-oogst kunnen analyseren. Vanuit het aspect van het gestrikte eenheid, toont het resultaat dat de maximale uitvoer van 1*1 rib structuur 213 V kan bereiken met het minimum gestrikte eenheid. Daarnaast, om het werkm mechanisme en de geometrie van contactoppervlak verder te begrijpen, zijn de diverse gestrickte structuren geïllustreerd in een fractale dimensie die verschilt van traditionele dimensie. Door berekening, kunnen verschillende gestrickte structuren met identieke gestrikte eenheden gebruikt worden om fractale dimensie te verkrijgen met dezelfde gestrikte eenheden. De gegenereerde elektrische uitvoer kan worden verhoogd met de fractale dicht bij de waarde van één. Daarom kan het verschil tussen de fractale dimensie en de waarde één worden gebruikt in de evaluatie van transferlading capaciteit volgens de oneffen oppervlakte. In de nabije toekomst wordt verwacht dat een evaluatie voor het genereren van uitvoervermogen gebaseerd op fractaletheorie in het construeren van een triboelektrische nanogenerator, het verkrijgen van maximale uitvoerprestaties om het flexibele zelf-energie systeem te optimaliseren voor het oogsten van verspilde menselijke bewegingen in ons dagelijks leven zal worden onderzocht.

Beschikbaarheid van Data en Materialen

Alle data gegenereerd of geanalyseerd tijdens deze studie zijn opgenomen in dit gepubliceerde artikel.

Afkortingen

E-huiden:

Electronic skins

IoT:

Internet of Things

PDMS:

Polydimethylsiloxaan

TENG:

Triboelektrische nanogenerator

PTFE:

Polytetrafluoroetheen

Df:

Fractale dimensie

CS:

Contact-scheiding werkmode

KNG:

De triboelektrische nanogenerator gebaseerd op gestrickte textiel

Voc:

De open-circuitspanning

Isc:

Kortsluitstroom

Qsc:

Transferlading

F waarde:

Het verschil tussen de fractale dimensie en de waarde van één