一體式柔性可拉伸拱形摩擦壓電復合納米發電機

何 劍，錢 鑠，趙東陽，丑修建

(1.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室， 太原 030051；2.中國兵器工業計算機應用技術研究所， 北京 100089)

可靠的能源供給是單兵野外作戰實現通信、定位和求救等軍事目的的關鍵技術，通過特定俘能結構和換能機制采集單兵行進過程中的人體機械能，并轉換為電能為相關電子器件供電是解決傳統電池供電方式續航短、成本高等技術瓶頸的最佳途徑之一[1-3]。基于共形裝配優勢，柔性電子是電子技術革命的全新節點，也是相關領域的研究熱點[4-5]。柔性能源采集器件具有適應性強、裝配靈活、可與衣物進行集成、對肢體活動影響小等優勢，是單兵能源裝備發展的重要方向。當前用于采集人體機械能的納米發電機主要基于摩擦起電[6-7]、壓電效應[8-9]以及電磁感應[10-11]3種基本換能機制。其中，電磁式納米發電機具有輸出電壓太低的缺點，且難以實現柔性化；傳統的壓電式納米發電機，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現。2006年壓電納米發電機被首次提出[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]、柔性襯底轉移法[14]、和壓電復合材料制備法[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現壓電材料的柔性化制造。但其存在制備工藝復雜，無法實現大批量生產等問題。柔性襯底轉移法是利用柔性襯底實現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。壓電復合材料制備法是通過將復合壓電填料與高分子聚合物結合，并利用其各自優異的電學性能和力學性能，將兩種功能在一種材料上得到展現。其中壓電填料多以顆粒形式或纖維狀態存在于聚合物基體中。另外，由于材料的異質性，納米發電機電極層與功能層之間極易發生分離，從而縮短器件使用壽命、降低可靠性。因此，開發一種結構簡單，具有高可靠性和優異輸出性能的柔性可拉伸納米發電機對于可穿戴單兵能源裝備的發展意義重大。

1 實驗過程

圖1 P-TENG制備流程示意圖

圖2 P-TENG實物圖及SEM表征

由于各功能層均采用相同的基體材料，在硫化過程中，其界面層可交聯為三維網狀結構，形成完全一體式結構，避免了器件在長期使用過程中，各功能層因應力失配而發生彼此脫離的現象。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，摩擦層下表面及中間電極層上表面與砂紙發生擠壓，表面產生微形變，硫化結束時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構的摩擦表面。表面微納結構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。在壓電復合材料制備過程中，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的多個衍射峰分別與鈦酸鋇標準卡對比，可以看出其擇優取向為(110)晶相。在拉曼譜圖中，可以看出在305～720 cm-1范圍內出現3個頻移峰，分別對應E(TO)、A1(TO)和A1(LO)3個模式，結合XRD結果可知，BTO具有良好的結晶度和優異的鐵電四方晶體結構。

圖3 BaTiO3的(a)XRD圖譜和(b)拉曼圖譜

2 工作原理

圖4 P-TENG發電原理示意圖

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

(1)

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

(2)

其中：σj為各方向上產生的應力；d3j是壓電常數；A是電極面積。從式(2)可以看出，當壓電材料和外部激勵一定時，其產生的壓電電荷量是一定的。因此，為了提高感應電荷產量，可將兩種模式進行協同耦合換能。

本文利用有限元仿真軟件COMSOL，對上述兩種模式協同耦合換能過程進行了仿真分析。按照與實際器件比例為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現摩擦層的仿真；選擇仿真軟件庫中的PZT作為壓電材料實現壓電層的仿真。在拉伸模式仿真時，將器件右側作為固定約束端，左側施加向外的載荷。在拍打模式仿真時，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。根據仿真結果可以看出，在任一激勵模式下， 兩重換能機制的協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 性能測試與應用

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 拍打模式下器件復合輸出性能曲線

圖9 點亮57盞商用LED燈

4 結論