一体式柔性可拉伸拱形摩擦压电复合纳米发电机

2020-11-05赵东阳丑修建

兵器装备工程学报 2020年10期

何剑，钱铄，赵东阳，丑修建

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051；2.中国兵器工业计算机应用技术研究所，北京 100089)

可靠的能源供给是单兵野外作战实现通信、定位和求救等军事目的的关键技术，通过特定俘能结构和换能机制采集单兵行进过程中的人体机械能，并转换为电能为相关电子器件供电是解决传统电池供电方式续航短、成本高等技术瓶颈的最佳途径之一[1-3]。基于共形装配优势，柔性电子是电子技术革命的全新节点，也是相关领域的研究热点[4-5]。柔性能源采集器件具有适应性强、装配灵活、可与衣物进行集成、对肢体活动影响小等优势，是单兵能源装备发展的重要方向。当前用于采集人体机械能的纳米发电机主要基于摩擦起电[6-7]、压电效应[8-9]以及电磁感应[10-11]3种基本换能机制。其中，电磁式纳米发电机具有输出电压太低的缺点，且难以实现柔性化；传统的压电式纳米发电机，因压电功能材料自身的刚性限制，器件的柔性可拉伸化亦难以实现。2006年压电纳米发电机被首次提出[12]，目前主要用到的压电材料柔性化的制造方法主要有静电纺丝法[13]、柔性衬底转移法[14]、和压电复合材料制备法[15-17]三种，静电纺丝法可以制备出具有高比表面积的压电纤维，将其配以柔性基体可实现压电材料的柔性化制造。但其存在制备工艺复杂，无法实现大批量生产等问题。柔性衬底转移法是利用柔性衬底实现刚性压电材料柔性化，但其制造成本高，不能从根本上满足压电换能单元的柔性化与一体化需求。压电复合材料制备法是通过将复合压电填料与高分子聚合物结合，并利用其各自优异的电学性能和力学性能，将两种功能在一种材料上得到展现。其中压电填料多以颗粒形式或纤维状态存在于聚合物基体中。另外，由于材料的异质性，纳米发电机电极层与功能层之间极易发生分离，从而缩短器件使用寿命、降低可靠性。因此，开发一种结构简单，具有高可靠性和优异输出性能的柔性可拉伸纳米发电机对于可穿戴单兵能源装备的发展意义重大。

1 实验过程

图1 P-TENG制备流程示意图

图2 P-TENG实物图及SEM表征

由于各功能层均采用相同的基体材料，在硫化过程中，其界面层可交联为三维网状结构，形成完全一体式结构，避免了器件在长期使用过程中，各功能层因应力失配而发生彼此脱离的现象。硫化成型前，与摩擦层下表面以及中间电极层上表面接触的模具表面覆盖有180目砂纸，在高温高压硫化成型时，摩擦层下表面及中间电极层上表面与砂纸发生挤压，表面产生微形变，硫化结束时可将砂纸从摩擦层下表面以及中间电极层上表面剥离，从而可得到带有微纳结构的摩擦表面。表面微纳结构的引入可增大摩擦层的比表面，从而提升有效接触面积和摩擦电荷密度。在压电复合材料制备过程中，BTO微粒被选用作为压电相填充物。图3所示为BTO的XRD和拉曼图谱，将XRD的多个衍射峰分别与钛酸钡标准卡对比，可以看出其择优取向为(110)晶相。在拉曼谱图中，可以看出在305～720 cm-1范围内出现3个频移峰，分别对应E(TO)、A1(TO)和A1(LO)3个模式，结合XRD结果可知，BTO具有良好的结晶度和优异的铁电四方晶体结构。

图3 BaTiO3的(a)XRD图谱和(b)拉曼图谱

2 工作原理

图4 P-TENG发电原理示意图

对于上述两种发电模式(压电和摩擦)而言，均可将其外电路看作电容模型进行分析，输出电压VOC可表示为：

(1)

其中:Q为在电极表面感应的摩擦/压电电荷量;C为器件外部电路等效电容。对于摩擦单元，当摩擦材料与有效接触面积一定时，其产生的摩擦电荷是一定的；对于压电单元，其压电电荷产生量为：

(2)

其中：σj为各方向上产生的应力；d3j是压电常数；A是电极面积。从式(2)可以看出，当压电材料和外部激励一定时，其产生的压电电荷量是一定的。因此，为了提高感应电荷产量，可将两种模式进行协同耦合换能。

本文利用有限元仿真软件COMSOL，对上述两种模式协同耦合换能过程进行了仿真分析。按照与实际器件比例为1∶1的尺寸和形状建立仿真模型，在摩擦材料表面添加电荷实现摩擦层的仿真；选择仿真软件库中的PZT作为压电材料实现压电层的仿真。在拉伸模式仿真时，将器件右侧作为固定约束端，左侧施加向外的载荷。在拍打模式仿真时，将器件下表面作为约束端，上表面施加向下的载荷，如图5所示。在拉伸状态下，纯压电输出为40 V左右，在其表面加入100 μC/m2摩擦电荷后，其电压输出可增加至50 V左右；在拍打状态下，纯压电输出为20 V左右，在其表面加入800 μC/m2摩擦电荷后，其电压输出可增加至100 V左右。根据仿真结果可以看出，在任一激励模式下，两重换能机制的协同耦合有助于器件输出性能的提升。