【摘 要】
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摩擦纳米发电机(TENGs)自2012年首次提出以来,已在微/纳能源、自驱动传感、蓝色能源和高压电源等方面取得了实质性的进展。鉴于众多传感器的广泛分布和高度移动性,物联网的成功和人类社会的可持续发展对可再生分布式能源需求逐渐增加。纺织基TENG(t-TENG)凭借显著的透气性和更好的非平面表面适应性,在用于可穿戴电子设备供电方面具有显著优势。但由于现阶段研究的t-TENG仍存在结构复杂和电学性能低
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摩擦纳米发电机(TENGs)自2012年首次提出以来,已在微/纳能源、自驱动传感、蓝色能源和高压电源等方面取得了实质性的进展。鉴于众多传感器的广泛分布和高度移动性,物联网的成功和人类社会的可持续发展对可再生分布式能源需求逐渐增加。纺织基TENG(t-TENG)凭借显著的透气性和更好的非平面表面适应性,在用于可穿戴电子设备供电方面具有显著优势。但由于现阶段研究的t-TENG仍存在结构复杂和电学性能低的问题,限制了其作为分布式能源的普适性。同时,薄膜摩擦纳米发电机因其简单易制备的特点而广泛应用于交互式传感中,但很少有与机械逻辑结合的传感应用。基于此,本文通过改性PET纤维制备了高强度、可拉伸、可供电、可传感的t-TENG;并将薄膜TENG与机械逻辑结合,实现TENG在逻辑领域的交互式传感应用。主要研究内容如下:(1)制备了高性能的复合纤维。利用熔融纺丝的方法制备石墨烯涤纶纳米复合纤维。通过表征其性能,得到该复合材料的拉伸强度(592MPa)和杨氏模量(4621 GPa)值比普通可编织涤纶纱线分别高40%和64%。(2)利用复合纤维制备了可穿戴的织物摩擦纳米发电机并表征其性能。将已制备的石墨烯涤纶复合纤维和尼龙纱线通过数字化针织机制备成可穿戴的柔性t-TENG。通过电学性能对比,优化了t-TENG的结构,探究了面积和密度对t-TENG电学性能的影响。结果表明,双螺纹针织结构下的t-TENG,比平纹针织的t-TENG电学性能高2倍,并且t-TENG的电输出性能随着面积和密度的增大而呈现上升趋势。该t-TENG经1200 s的循环测试后,呈现出良好的稳定性和耐磨性。此外,t-TENG在模拟家庭水洗的环境下,电学性能几乎不变,这展示了t-TENG良好的可水洗性。(3)研究了t-TENG在自供电功能化和可穿戴传感方面的应用。基于环境刺激以及人体动作与可拉伸摩擦纳米发电机电输出之间的应变关系,可拉伸的柔性摩擦纳米发电机可用于能量采集并为便携式的小设备供电。t-TENG作为可穿戴传感器,在不同运动状态下,随着人体动作幅度不同而产生的不同的电输出信号。最后,将信号数据集用于机械学习,可构建准确率达到98.12%的人体运动状态识别系统,这极大地丰富了可穿戴电子器件的应用。(4)基于摩擦纳米发电机的交互式传感功能,提出了一种可实现数字逻辑功能的机械逻辑系统。通过微控制器将人体机械动作产生的摩擦电信号转化为高低电频用于驱动机械逻辑单元,组成机械逻辑组件。该逻辑组件可作为信息储存器件,实现具象的储存以及逻辑运算。
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