一體式柔性可拉伸拱形摩擦壓電復(fù)合納米發(fā)電機(jī)

何 劍，錢 鑠，趙東陽(yáng)，丑修建

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 太原 030051；2.中國(guó)兵器工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究所， 北京 100089)

可靠的能源供給是單兵野外作戰(zhàn)實(shí)現(xiàn)通信、定位和求救等軍事目的的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)特定俘能結(jié)構(gòu)和換能機(jī)制采集單兵行進(jìn)過(guò)程中的人體機(jī)械能，并轉(zhuǎn)換為電能為相關(guān)電子器件供電是解決傳統(tǒng)電池供電方式續(xù)航短、成本高等技術(shù)瓶頸的最佳途徑之一[1-3]?；诠残窝b配優(yōu)勢(shì)，柔性電子是電子技術(shù)革命的全新節(jié)點(diǎn)，也是相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[4-5]。柔性能源采集器件具有適應(yīng)性強(qiáng)、裝配靈活、可與衣物進(jìn)行集成、對(duì)肢體活動(dòng)影響小等優(yōu)勢(shì)，是單兵能源裝備發(fā)展的重要方向。當(dāng)前用于采集人體機(jī)械能的納米發(fā)電機(jī)主要基于摩擦起電[6-7]、壓電效應(yīng)[8-9]以及電磁感應(yīng)[10-11]3種基本換能機(jī)制。其中，電磁式納米發(fā)電機(jī)具有輸出電壓太低的缺點(diǎn)，且難以實(shí)現(xiàn)柔性化；傳統(tǒng)的壓電式納米發(fā)電機(jī)，因壓電功能材料自身的剛性限制，器件的柔性可拉伸化亦難以實(shí)現(xiàn)。2006年壓電納米發(fā)電機(jī)被首次提出[12]，目前主要用到的壓電材料柔性化的制造方法主要有靜電紡絲法[13]、柔性襯底轉(zhuǎn)移法[14]、和壓電復(fù)合材料制備法[15-17]三種，靜電紡絲法可以制備出具有高比表面積的壓電纖維，將其配以柔性基體可實(shí)現(xiàn)壓電材料的柔性化制造。但其存在制備工藝復(fù)雜，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)等問(wèn)題。柔性襯底轉(zhuǎn)移法是利用柔性襯底實(shí)現(xiàn)剛性壓電材料柔性化，但其制造成本高，不能從根本上滿足壓電換能單元的柔性化與一體化需求。壓電復(fù)合材料制備法是通過(guò)將復(fù)合壓電填料與高分子聚合物結(jié)合，并利用其各自優(yōu)異的電學(xué)性能和力學(xué)性能，將兩種功能在一種材料上得到展現(xiàn)。其中壓電填料多以顆粒形式或纖維狀態(tài)存在于聚合物基體中。另外，由于材料的異質(zhì)性，納米發(fā)電機(jī)電極層與功能層之間極易發(fā)生分離，從而縮短器件使用壽命、降低可靠性。因此，開(kāi)發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有高可靠性和優(yōu)異輸出性能的柔性可拉伸納米發(fā)電機(jī)對(duì)于可穿戴單兵能源裝備的發(fā)展意義重大。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

圖1 P-TENG制備流程示意圖

圖2 P-TENG實(shí)物圖及SEM表征

由于各功能層均采用相同的基體材料，在硫化過(guò)程中，其界面層可交聯(lián)為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成完全一體式結(jié)構(gòu)，避免了器件在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，各功能層因應(yīng)力失配而發(fā)生彼此脫離的現(xiàn)象。硫化成型前，與摩擦層下表面以及中間電極層上表面接觸的模具表面覆蓋有180目砂紙，在高溫高壓硫化成型時(shí)，摩擦層下表面及中間電極層上表面與砂紙發(fā)生擠壓，表面產(chǎn)生微形變，硫化結(jié)束時(shí)可將砂紙從摩擦層下表面以及中間電極層上表面剝離，從而可得到帶有微納結(jié)構(gòu)的摩擦表面。表面微納結(jié)構(gòu)的引入可增大摩擦層的比表面，從而提升有效接觸面積和摩擦電荷密度。在壓電復(fù)合材料制備過(guò)程中，BTO微粒被選用作為壓電相填充物。圖3所示為BTO的XRD和拉曼圖譜，將XRD的多個(gè)衍射峰分別與鈦酸鋇標(biāo)準(zhǔn)卡對(duì)比，可以看出其擇優(yōu)取向?yàn)?110)晶相。在拉曼譜圖中，可以看出在305～720 cm-1范圍內(nèi)出現(xiàn)3個(gè)頻移峰，分別對(duì)應(yīng)E(TO)、A1(TO)和A1(LO)3個(gè)模式，結(jié)合XRD結(jié)果可知，BTO具有良好的結(jié)晶度和優(yōu)異的鐵電四方晶體結(jié)構(gòu)。

圖3 BaTiO3的(a)XRD圖譜和(b)拉曼圖譜

2 工作原理

圖4 P-TENG發(fā)電原理示意圖

對(duì)于上述兩種發(fā)電模式(壓電和摩擦)而言，均可將其外電路看作電容模型進(jìn)行分析，輸出電壓VOC可表示為：

(1)

其中:Q為在電極表面感應(yīng)的摩擦/壓電電荷量;C為器件外部電路等效電容。對(duì)于摩擦單元，當(dāng)摩擦材料與有效接觸面積一定時(shí)，其產(chǎn)生的摩擦電荷是一定的；對(duì)于壓電單元，其壓電電荷產(chǎn)生量為：

(2)

其中：σj為各方向上產(chǎn)生的應(yīng)力；d3j是壓電常數(shù)；A是電極面積。從式(2)可以看出，當(dāng)壓電材料和外部激勵(lì)一定時(shí)，其產(chǎn)生的壓電電荷量是一定的。因此，為了提高感應(yīng)電荷產(chǎn)量，可將兩種模式進(jìn)行協(xié)同耦合換能。

本文利用有限元仿真軟件COMSOL，對(duì)上述兩種模式協(xié)同耦合換能過(guò)程進(jìn)行了仿真分析。按照與實(shí)際器件比例為1∶1的尺寸和形狀建立仿真模型，在摩擦材料表面添加電荷實(shí)現(xiàn)摩擦層的仿真；選擇仿真軟件庫(kù)中的PZT作為壓電材料實(shí)現(xiàn)壓電層的仿真。在拉伸模式仿真時(shí)，將器件右側(cè)作為固定約束端，左側(cè)施加向外的載荷。在拍打模式仿真時(shí)，將器件下表面作為約束端，上表面施加向下的載荷，如圖5所示。在拉伸狀態(tài)下，純壓電輸出為40 V左右，在其表面加入100 μC/m2摩擦電荷后，其電壓輸出可增加至50 V左右；在拍打狀態(tài)下，純壓電輸出為20 V左右，在其表面加入800 μC/m2摩擦電荷后，其電壓輸出可增加至100 V左右。根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，在任一激勵(lì)模式下， 兩重?fù)Q能機(jī)制的協(xié)同耦合有助于器件輸出性能的提升。

圖5 有限元仿真分析

3 性能測(cè)試與應(yīng)用

圖6 拉伸模式下各單元器件輸出性能曲線

圖7 拍打模式下各單元器件輸出性能曲線

圖8 拍打模式下器件復(fù)合輸出性能曲線

圖9 點(diǎn)亮57盞商用LED燈

4 結(jié)論