Análise da morfologia da superfície do nanogerador triboelétrico baseado em estrutura de malha para aumentar a carga de transferência

Resumo

A coleta de energia biomecânica residual tem fornecido uma abordagem promissora para melhorar o suplemento de energia de dispositivos vestíveis para estender a vida de uso. A morfologia da superfície é um fator significativo para melhorar o desempenho de saída do nanogerador triboelétrico; no entanto, há uma limitação para avaliar a morfologia da superfície e seu impacto na geração de energia. Para avaliar a relação entre a morfologia da superfície e a carga de transferência, existe uma teoria matemática que é a teoria da geometria fractal que foi proposta para analisar as características da morfologia da superfície irregular. Esta teoria forneceu uma boa compreensão da área de contato e aspereza da superfície. Nós projetamos três categorias de estruturas de malha com aparência de cordão usando uma máquina de tricô plana e analisamos suas características de superfície. Enquanto isso, as estruturas geométricas podem ser demonstradas através da dimensão fractal para avaliar o desempenho de saída gerado durante o contato e separação. A presente pesquisa mostra que, com o aumento do número de unidades tricotadas, o desempenho da geração de energia triboelétrica continuou a diminuir devido à diminuição da área de contato disponível. Depois de calcular a dimensão fractal de diferentes estruturas de malha, as estruturas de costelas m * n mostram a alta carga de transferência quando a dimensão fractal está próxima do número um, especialmente a dimensão fractal da estrutura de costelas 1 * 1 que pode chegar a 0,99. A teoria fractal pode ainda ser usada como uma abordagem para avaliar a influência no desempenho de saída da morfologia da superfície irregular, não relacionada à distração da unidade convexa uniforme. O resultado desta pesquisa também demonstrou a viabilidade de um nanogerador triboelétrico baseado em malha na eliminação de energia biomecânica para alimentar eletrônicos portáteis integrados em roupas.

Introdução

Técnicas de inteligência avançada varreram o mundo global e trouxeram alguns novos dispositivos portáteis inteligentes flexíveis, como sensores de rastreamento de saúde [1, 2], dispositivos de detecção de gestos [3,4,5,6], skins eletrônicos (E-skins ) [7, 8], circuitos flexíveis [9, 10] e wearables de fibra óptica [11, 12]. No entanto, com desvantagens de peso de massa, baixa eficiência de conversão, poluição ambiental séria e vida curta da bateria, o suplemento de energia é a enorme limitação para o desenvolvimento da eletrônica. Desde que o primeiro nanogerador triboelétrico (TENG) foi desenvolvido com sucesso em 2012 [13], com base nas características de pequena escala, peso leve, vários materiais, segurança, virtudes ambientais [14] e alta eficiência, ele tem proporcionado um desempenho promissor e eficaz estratégia para enfrentar os estreitos acima. Junto com o rápido advento dos TENGs trabalhando por meio de um efeito acoplado de eletrificação de contato e indução eletrostática [15], ele foi conformado como uma abordagem desejável para obter energia mecânica [16, 17] de nosso entorno, especialmente pela coleta de baixa frequência e irregular movimentos (incluindo vento [18, 19], gota d'água e movimento humano, energia biomecânica, etc. [20,21,22]), realizando transmissões de dados [23,24,25] e suplemento de energia na Internet das Coisas (IoT) [26]. Para dispositivos vestíveis, os têxteis são considerados o melhor substrato, devido à sua retenção estrutural e resistência à fadiga, maciez, integração e alta porosidade. Até o momento, uma integração de um nanogerador triboelétrico e um têxtil tradicional [27,28,29,30,31,32,33] é um dos candidatos promissores para dispositivos vestíveis orientados para humanos, como sensores flexíveis autoalimentados [34] , coletores de energia vestíveis e sistemas de armazenamento de energia com base em têxteis. Também é dotado de tecidos convencionais com funcionalidade, inteligência e maior valor. Esses dispositivos eletrônicos baseados em tecido que atendem ao requisito de peso leve, barato, confortável, respirável, portátil, de longa duração e lavável para uso rotineiro. Além disso, é fácil fazer têxteis com cores variáveis ​​e designs de padrões abundantes que representam atrativos para os têxteis inteligentes. Especialmente, tecidos de malha com pequena deformação e grande deformação são sensíveis à geração de sinal, portanto, são ideais para serem usados ​​em sensores flexíveis, superando a resistência ao movimento e reduzindo a perda de energia [35]. Além disso, fricções e deformações em tecidos de malha são fenômenos comuns que são uma opinião emocionante para a construção de um nanogerador triboelétrico.

Como todos sabemos, a modificação da morfologia da superfície é uma abordagem significativa para melhorar o desempenho de saída dos TENGs [36,37,38,39]. A maioria tem como objetivo aumentar a área de contato disponível e a rugosidade da superfície. Existem dois métodos principais que alteram a morfologia da superfície, sendo um deles o ataque químico da superfície e o outro a replicação da superfície. No entanto, o uso de uma área de tratamento limitada e altamente cara e de uma técnica de fabricação de várias etapas para gerar a aparência da superfície é difícil para a produção industrial. Aqui, Li et al. [40] investigaram um filme de polidimetilsiloxano (PDMS) com microestruturas de superfície destacadas da lixa, que era um método de um processo e baixo custo para preparar a diferença de rugosidade da superfície. Os resultados experimentais mostraram a saída máxima gerada de 46,52 V sob a classe de rugosidade de 3000 detectada por um perfil óptico de superfície 3D. Além disso, muitas microestruturas podem diminuir drasticamente a superfície de contato efetiva e resultar na redução da capacidade de desempenho de potência. O tamanho dos TENGs era limitado pela área da lixa, o que aumentava o custo de fabricação. Hoje em dia, as estruturas têxteis estão recebendo cada vez mais atenção devido à formação de abundantes aparências superficiais [38], sem a complexa procissão de fabricação e alto custo. Para compreender totalmente as aparências da superfície têxtil, alguns fatores precisam ser considerados em termos de componentes exclusivos e características estruturais, incluindo a aparência do fio, parâmetros físicos têxteis e estruturas de malha. Então, Kwak et al. [41] investigaram a área de contato de três estruturas (incluindo estruturas de tecido simples, duplo e de costela) durante o alongamento e discutiram a contribuição para aumentar o potencial. Valeu a pena que o tecido de nervuras pode ser esticado em até 30%, aumentando a área de contato para 180 cm ² . Dependendo da região intermediária existente, o tecido de nervuras pode ser amplamente esticado, o que pode obter um maior potencial para aumentar a área de contato. Como elemento primário da estrutura têxtil, foi analisada a característica dos laços que também foi o fator significativo para influenciar a aparência da superfície. Huang et al. [42] focalizou o efeito de parâmetros básicos de têxteis (incluindo pernas em loop, deslocadores em loop e densidade têxtil) para confirmar a diferença no desempenho de produção. O nanogerador triboelétrico baseado em tecido de grande densidade de pontos pode gerar energia elétrica mais alta com uma densidade de potência máxima de pico de 203 mW m ⁻² a 80 MΩ, o que torna uma área de contato efetiva maior. O resultado exibiu que as morfologias da superfície de várias estruturas de tecido tiveram uma influência na capacidade de produção elétrica. A fim de coletar muito mais energia para estender a vida útil, têxteis de ponto entrelaçado de dupla face 3D [43] foram tricotados por cama de agulha dupla plana, que exibiu o mesmo desempenho de saída na frente e no verso. Além disso, os TENGs baseados na estrutura têxtil tridimensional podem gerar uma densidade de alta potência de 3,4 mW m ⁻² na resistência externa de 200 MΩ, demonstrando que a capacidade de captação de energia foi aprimorada. No entanto, as aparências da superfície acima mencionadas têm pouca representação na forma da geometria da superfície e os fatores sobre a carga de transferência gerada ainda sofrem da falta de explicações específicas. Não existe uma maneira universal que possa caracterizar a aparência da superfície, que precisa encontrar uma avaliação da morfologia irregular. Portanto, essa é a limitação para o entendimento completo da carga de transferência no nanogerador triboelétrico atualmente.

O objetivo da análise de superfície é caracterizar as estruturas geométricas dos têxteis, que podem ser testadas em duas abordagens de método de contato e método óptico [44]. O método de contato pode descrever bem a morfologia da superfície, mas o tempo necessário é muito mais longo e a agulha deixa um rastro na superfície. Comparado ao método de contato, com os benefícios de curto tempo de medição, baixa superfície do chicote e fácil detecção, o método óptico tem sido usado para detectar rugosidade da superfície. No entanto, as falsas lacunas e o alto nível de ruído podem reduzir o julgamento da morfologia da superfície real.

A ferramenta matemática é uma análise teórica que pode ser usada para quantificar a extensão da rugosidade da superfície. É uma nova abordagem para avaliar a superfície irregular. Com uma superfície tão irregular, o método matemático convencional da geometria euclidiana não pode ser usado porque é realmente difícil julgar a dimensão da geometria quantitativa e a precisão da medição, como comprimento do segmento e peso do objeto. No entanto, a geometria fractal, uma abordagem nomeada por Mandelbrot para descrever estruturas irregulares, foi fornecida para resolver o problema e definir a irregularidade na natureza [45], como as propriedades físicas das espumas [46] e avaliação da lisura do tecido [47] . Quase todas as superfícies rugosas podem ser divididas em algumas partes auto-semelhantes que podem ser representadas por uma dimensão não integral, chamada dimensão fractal ( D _f ) Com base nas várias superfícies geométricas, o valor de D _f precisa ser considerado e analisado que tem efeito sobre a rugosidade e área de contato eficiente no projeto de um nanogerador triboelétrico, otimizando a capacidade de conversão de movimentos humanos em elétricos.

Aqui, neste trabalho, apresentamos as várias morfologias de superfície baseadas em estruturas tricotadas que são adotadas como uma das camadas dielétricas. A malha TENG à base de têxteis foi fabricada utilizando fios comerciais e máquinas de tricô industrial, que podem realizar a produção em larga escala e aplicações práticas. Para imitar o movimento da mão agitada, os TENGs são projetados no modo de trabalho separado por contato (CS), que é o mecanismo de trabalho mais simples. As estruturas tricotadas são formadas em dois tipos de abordagem, incluindo a morfologia da superfície convexa-côncava baseada na estrutura e na forma. Devido à diversidade das estruturas de malha, as aparências da superfície resultante podem ser sistematicamente investigadas e analisadas para confirmar a relação entre a morfologia da superfície e as estruturas de malha. O D _f de cada tecido pode ser calculado através do princípio fractal apropriado, avaliando a rugosidade da superfície do tecido. A carga de transferência máxima de aparência superficial em 1 * 1 costela pode atingir até 91,66 nC batendo e liberando o movimento, que obtém a dimensão fractal de 0,99. E um fenômeno interessante exibe que com o valor de D _f chegando ao número um, a taxa de transferência pode ser maior. Finalmente, o uso da teoria fractal e de estruturas de malha pode fornecer um método eficaz para avaliar a quantidade da carga de transferência e espera-se que ajude a projetar os TENGs baseados em tecidos de malha com mais eficiência, produção industrial e custo barato.

Materiais e métodos

Materiais

Os fios de náilon (dtex 600, AnTong KeJia Textile fibre products Co., Ltd.) que estavam comumente disponíveis em dois tipos de tecidos de costela e tecidos convexos com uma bitola de 15 (agulha / polegada) em toda a máquina de vestuário (SHIMA Seiki Co., Japão). É utilizado o filme de politetrafluoroetileno (PTFE) com espessura de 0,05 cm (Chenqi Electrical Technique Co. Ltd.). O eletrodo dobrado e torcido é uma folha de cobre comercial (Shenzhen Biaozhitape Co. Ltd) com uma espessura de 0,06 mm colada no verso do tecido de malha para transferência de carga polarizada.

Fabricação de tecidos de malha e nanogerador triboelétrico à base de têxteis de malha

A técnica de trama como o método de tricô representativo pode facilmente dotar os tecidos de alta elasticidade [48], baixo custo e desempenho estético. Com as vantagens da malha de posição, os têxteis de alta potência podem ser integrados à roupa sem técnicas de costura adicionais. Existem dez texturas convexo-côncavas projetadas que são representadas na Tabela 1. Para demonstrar a relação entre a morfologia da superfície e a carga de transferência, longitude e cordões transversais são tricotados na superfície do tecido. Assim, dez texturas diferentes são representadas na Tabela 1, em que as primeiras sete amostras são exibidas com cordão longitudinal na superfície e as aparências da superfície de no. 8, não. 9, e não. 10 são transversais convexos. Aqui, as estruturas são tricotadas por uma máquina de tricô plana computadorizada que é adequada para processos industriais de alta eficiência, e os têxteis são capazes de ajustar a escala personalizada. Por meio do próprio sistema de design, os tecidos podem ser projetados rapidamente e preparados com facilidade, especialmente para o design de padrões complexos. Todos os tecidos precisam ser deixados por 24 horas com a condição atmosférica padrão para tecido relaxante até o estado de tamanho estável, que tem como objetivo diminuir a influência da contração de relaxamento e melhorar o resultado da precisão do teste. Em seguida, o mesmo tamanho de fita condutora foi colado no verso dos têxteis. Com base nas nanopartículas altamente polarizáveis, o filme feito de PTFE foi adotado como os outros materiais dielétricos. O filme ainda está aderido a um pedaço de folha de cobre, transferindo a migração de elétrons. Já para o CS, fios condutores foram conectados a dois modelos de fricção, que se movem na direção vertical. Em seguida, os TENGs têxteis baseados em CS foram fabricados.

Personagens Fractais de Tecidos de Malha

Nem todos os objetos naturais têm forma e limites regulares incompletos, incluindo linha costeira, floco de neve, nuvem e folha. Portanto, a dimensão fractal é utilizada para descrever a morfologia desigual gerada por diferentes métodos, que é um método eficaz identificado em muitos trabalhos de pesquisa. Existem várias formulações definidas como dimensão fractal, incluindo a dimensão de Hausdorff, a dimensão da caixa de contagem e dimensão semelhante et al., Que é o parâmetro crucial para quantificar o estilo da superfície. A dimensão fractal típica era a curva de Kohn como um floco de neve, que foi apresentada pela primeira vez em 1904. A área delimitada por três auto-similaridades com infinito é restrita, denominada curvas de Kohn, cuja dimensão fractal é 1,2618. Geralmente, a dimensão fractal pode ser calculada pela escala a, que indica o comprimento, largura e área. A seguinte fórmula pode apresentar a relação:
$$ F \ left (\ mathrm {a} \ right) \ approx {a} ^ {D_f} $$ (1-1)
onde D _f é a dimensão fractal que é exibida na inclinação de um gráfico log-log.

A dimensão fractal da superfície irregular, D _f , pode ser determinado em uma abordagem da dimensão de Hausdorff que é baseada na análise de tamanho relativo de uma unidade semelhante. Como o fator de formação da superfície do cordão, o distrito convexo que inclui várias unidades de estrutura micro-convexa com diferentes bordas e número pode ser expresso como:
$$ M ={N} ^ {D_f} $$ (1-2)
onde M é o número da unidade convexa, N são as unidades múltiplas auto-semelhantes repetidas que são o comprimento de unidades convexas ao comprimento de amostras inteiras, e D _f é a dimensão fractal das estruturas elevadas. A equação é um modelo que pode ser usado para prever a morfologia da superfície, então:
$$ {D} _f =\ raisebox {1ex} {$ \ log M $} \! \ Left / \! \ Raisebox {-1ex} {$ \ log N $} \ right. $$ (1-3)

Caracterização

O microscópio digital de ponta Dino-lite (AnMo electronic corporation) foi usado para medir a densidade de tecidos de malha a partir de imagens fotográficas. Os sinais elétricos do nanogerador triboelétrico de malha tricotada durante o modo de contato e separação foram operados por um motor de revestimento de automontagem e um eletrômetro (sistema Keithley 6514) baseado no sistema LabVIEW.

Resultados e discussão

Para confirmar materiais de fricção, a ordem triboelétrica [49] é a referência significativa, que quantificou a polarização triboelétrica de diferentes materiais comuns. A ordem triboelétrica apresenta que um lado apresenta ganho de capacidade de carga e o outro lado possui alta capacidade de perder elétrons, o que tem sido definido como o desempenho fundamental do material. Para obter o desempenho de saída excepcional, são selecionados alguns materiais que precisam ser atribuídos à série triboelétrica com uma distância considerável, aumentando a diferença de potencial. Aqui, um é o comercial, de baixo custo, excelente resistência à abrasão e tendência de carga altamente positiva (náilon) e o outro apresenta tendência de carga negativa (PTFE). Neste trabalho, selecionamos a membrana de PTFE sem nenhum tratamento na superfície. Aqui, o único fator são as estruturas de malha que podem ser analisadas pelo desempenho de transferência de carga. Outro elemento crítico é o material do eletrodo que é uma folha de cobre com alta flexibilidade, que pode ser colada diretamente, ou seja, um processo de fabricação simples e de uma etapa. Comparado ao metal precioso de prata e ouro, o preço da folha de cobre é barato e pode ser usado para fabricar produtos econômicos. Portanto, o cobre tem sido amplamente aplicado como circuitos flexíveis e eletrodos no projeto de dispositivos inteligentes.

Atualmente, existem quatro TENGs operados por modo de trabalho universal, correspondentes às diferentes estruturas e movimentos do eletrodo. Com vantagens de fabricação fácil, a seleção abundante de materiais, movimentos alternativos de direção vertical, os CS TENGs são os primeiros profundamente investigados que têm a capacidade potencial de coletar alguma energia biomecânica, como bater de mãos, andar e correr. Aqui, com o objetivo de investigar o princípio de influência das estruturas superficiais, os nanogeradores triboelétricos baseados em malha têxtil (KNGs) foram projetados, correspondendo ao contato e separação entre o tecido de náilon e o filme de PTFE. O processo de montagem do nanogerador triboelétrico é apresentado na Fig. 1a, consistindo em tecidos de malha, membrana de PTFE e folha de cobre. A versatilidade do tecido de malha flexível em termos de sua capacidade de franzir (Fig. 1 bi), dobrar (Fig. 1 bii), drapear (Fig. 1biii) e dobrar (Fig. 1biv) em qualquer direção é adaptada em várias escalas representado na Fig. 1b. Os KNGs podem ser projetados com base na exigência da posição de aplicação e na estética da roupa. A diversidade de estruturas de malha foi tricotada com diferentes aparências de superfície e, em seguida, essas fotografias da superfície têxtil foram mostradas na Fig. 1c.

Preparação esquemática, característica de KNG e estrutura de malha. a Processo de fabricação de KNG. b Imagens de KNG sob várias deformações. i, frisado; ii, dobrado; iii, drapejado; iv, dobrado. c Todas as estruturas de malha fabricadas, do número 1 ao 10

O mecanismo de operação dos KNGs é simplesmente apresentado na Fig. 2a. Para medir a carga de transferência, a distância máxima e a frequência de movimentos do motor linear são definidas em 10 cm e em 0,3 Hz para simular movimentos de agitar as mãos, respectivamente. Quanto à monitoração comum, a tensão de circuito aberto (Voc), a corrente de curto-circuito (Isc) e a carga de transferência (Qsc) são medidas por um motor mecânico linear. No estado original (Fig. 2 ai), o tecido de náilon produziu cargas positivas e o filme de PTFE foi carregado com cargas negativas devido à indução eletrostática e conservação de cargas. Quando o dispositivo foi pressionado (Fig. 2 aii), uma redução do espaço entre as duas superfícies de contato levará ao acúmulo de carga positiva no eletrodo colado no PTFE. Os elétrons fluem do circuito externo para equilibrar a diferença de potencial. Vale notar que a quantidade equivalente de elétrons pode ser mantida na superfície da área de contato, pois ambos os materiais dielétricos são isolantes (Fig. 2 aiii). Conforme o PTFE se move para trás (Fig. 2aiv), o processo se inverte e o elétrico será obtido mais uma vez o equilíbrio entre o náilon têxtil e o PTFE, refletindo a neutralização das cargas. Consequentemente, os elétrons irão fluir de volta para diferenças de potencial elétrico. Nessa situação, os KNGs poderiam gerar Isc e Voc, que possuem uma característica de mudança periódica, mostrada nas Fig. 2 be c. Na Fig. 2b e c, a inserção é um gráfico ampliado que é descrito em um ciclo.

Mecanismo de trabalho de energia elétrica e o desempenho de saída do KNG. a Mecanismo de operação de KNG usando tecido de náilon em contato com membro de PTFE. b Voc de KNG e imagem ampliada para um ciclo. c Isc de KNG e imagem ampliada de um ciclo

Para fabricar estruturas convexas na superfície têxtil, existem dois tipos de métodos usados, incluindo design de estrutura e formação de forma, como mostrado na Fig. 3. O design da estrutura depende da proporção diferente dos pontos de laço frontal e vice-versa pontos de laço. As amostras totais são projetadas em sete tipos de nervuras, incluindo o tipo de m * n ( m = n =1, 2, 3, 4) na Fig. 3a e 2 * m ( m =1, 2, 3, 4) mostrado na Fig. 3b. A costela tem uma aparência de cordão vertical devido às lâminas do laço da face que tendem a se mover para cima e à frente das lâminas do laço reverso; então, a altura máxima do cordão pode chegar a 0,2 cm. A costela de m * n ( m = n =1, 2, 3, 4) pode ser equilibrado por fileiras alternadas de loops faciais em cada lado, de forma que fique plano sem ondular após a alfaiataria. E ambos os lados do têxtil têm a mesma aparência, conforme mostrado na Fig. 3e. No entanto, as diferentes proporções de face e loops reversos em estruturas de costelas de 2 * m, há uma superfície de distinção que aparece, como mostrado na Fig. 3f. Além disso, o processo de esticamento do tecido de costela é dividido em duas etapas, incluindo as lâminas reversas entrelaçando-se em ambos os lados até serem esticadas para revelar as lâminas reversas no meio e, em seguida, laços inteiros são continuados a ser esticados com o dobro da largura de um equivalente tecido único. Portanto, em comparação com os tecidos lisos, os tecidos com nervuras têm potencial para aumentar a capacidade de alongamento para a colheita dos movimentos de aba e alongamento (direção transversal e longitudinal) durante o modo de trabalho de separação por contato. O outro método para estabelecer a estrutura elevada é a deformação da forma em que a camada de ar é formada na superfície do n ( n =4, 5, 6) têxtil que é ilustrado na Fig. 3c. A espessura da área da seção transversal está na faixa de 0,15 a 0,3 cm. A característica da camada de ar é uma estrutura de arco proeminente que pode fornecer algum espaço para acelerar a separação de elétrons ao desencadear movimentos. Acima de tudo mencionado, os tecidos de malha são projetados por meio de uma máquina plana computadorizada que pode realizar a precisão da localização do tricô, formando toda a vestimenta e integrando os materiais inteligentes ao tecido na perfeição. Essa nomenclatura de técnica de tricô foi marcada na Fig. 3d que descreve as características da estrutura corretamente.

Características esquemáticas e componentes de estruturas de malha. a Características da costela m * n. b Características da costela 2 * m. c Características de algum cabo horizontal de agulha. d Nomenclatura da técnica de tricô. e Imagem do lado do rosto e verso na estrutura de costelas 1 * 1. f Imagem do lado do rosto e verso em estrutura de costela 2 * 1

Trabalhos anteriores [42] demonstraram a área de contato efetiva do lado da face que era muito mais do que a parte de trás do tecido; o resultado na carga de transferência foi duas vezes maior do que o desempenho de saída do lado posterior. Isso ocorre porque o comprimento do laço da agulha era maior do que o laço do deslocador. Portanto, para melhorar o desempenho de saída e criar apenas um fator de influência, as estruturas elevadas por contato consistem em laços laterais de face. As saídas dos KNGs dependendo do número de unidades convexas são plotadas na Fig. 4. Uma tendência decrescente onde a área de contato de todos os têxteis experimentados foi diminuída com o número da unidade elevada foi formada. Além disso, as cargas elétricas mais significativas estão na ordem sequencial da costela 1 * 1, costela 2 * 1 e quatro estruturas do tipo agulha (o primeiro ponto de cada linha) com os valores de 91,66 nC, 90,19 nC e 69,64 nC, respectivamente.

O desempenho de saída mudou através do número da unidade convexa

Em seguida, a estrutura de malha com a morfologia de superfície diferente em aspectos de densidade de barreira de diversidade, número de unidade de face lateral e estruturas são investigadas. Todos os parâmetros de dez tipos de tecidos de malha são testados e registrados na Tabela 2. Notavelmente, a densidade da camada é sempre constante porque a aparência do cordão cresceu ao longo da direção vertical ao analisar as amostras Nos. 1-7. Assim, a densidade de wale como o principal fator que precisa ser discutido refere-se às características das diferentes estruturas de malha. É óbvio que o loop facial e o loop reverso têm a mesma proporção nos números 1-4, cerca de 50%. Estes têxteis apresentam as mesmas estruturas independentemente da face ou do verso baseadas no tricô com ponto duplo. A espessura média mostra-se mais elevada em comparação com os nºs da amostra. 5–7 que consiste em um número diferente de pontos frontais e pontos reserva. Textura no. 4 possui a maior unidade de repetição que sua densidade de wale é duas vezes maior que no. 1. No entanto, o número de unidades do lado da face no tecido prático é quase meio declínio do que nenhum. 1. Isso ocorre porque mais laços de deslocamento são esticados entre si para que a aparência da coluna possa ser formada. Com o aumento da unidade tricotada, o diâmetro da coluna e a espessura dos tecidos são aumentados, aqui, diminuindo o número de unidades de face lateral e a área de contato eficiente ao desencadear movimentos. Em termos de estrutura de nervuras com diferentes proporções de face e laçada reversa, a aparência exibe a característica de estrutura de uma face obviamente, com unidades de repetição de malha aumentando. Enquanto isso, a densidade do wale de não. 7 é tão grande quanto não. 1 e não. 5, mas o número de unidades de loop facial tem diferenças distintas devido ao número da unidade tricotada é de seis loops que são muito mais do que nenhum. 1 (2 loops) e não. 5 (3 loops), então o desempenho de saída é inferior ao de no. 1 e não. 5. Como resultado, o tecido de malha com nervuras no. 1 representa a maioria das unidades de loop facial nos n ° s. 1–10 durante os movimentos de contato-separação.

Por outro lado, a malha têxtil forma-tipo foi concebida através do número diferente de laços montados em todo o tecido, formando estruturas em arco. Devido à direção do comprimento do cabo ser horizontal, a densidade do tecido mostra estabilidade aproximada na direção transversal. A estrutura em arco fornece uma abordagem para separar cargas na superfície, que possui um espaço interno oco. Assim, a eficiência da coleta de energia desperdiçada do mecanismo foi melhorada. Geralmente, a fim de melhorar o desempenho da produção, um tipo de arco é feito de materiais flexíveis com elástico e durabilidade perfeitos, como substratos de silicone, mas é difícil de ser tricotado em uma máquina de tricô industrial para atender aos requisitos comerciais. Quando se trata de ver que a estrutura do arco é baseada na malha têxtil em pesquisas anteriores [24, 41, 50], a construção precisa ser costurada ou colada, o que é um processo complexo e demorado. Apresentamos um tecido em malha tricotada que é elaborado através de toda a técnica de conformação sem segunda manufatura que confere alta eficiência de produção. Entre as estruturas de cordão horizontal, a altura de 0,3 cm mostra a menor saída de carga em comparação com a estrutura de cordão horizontal de quatro agulhas e cinco agulhas com altura de 0,15 cm e 0,2 cm, respectivamente, que pode ser influenciada pela baixa rigidez dos tecidos de malha em uma grande distância entre as duas extremidades fixas. A forma convexa mais alta é difícil de manter em arco com força de pressão e recuperar a forma original, o que faz com que algumas cargas sejam neutralizadas. Como resultado, a diminuição da altura do arco pode aumentar a tolerância de estruturas convexas. No entanto, esses cabos de forma reduzida reduzem a área de contato efetiva, que é um tipo de linha que possui poucas áreas do que o contato real, diminuindo o desempenho da saída elétrica.

Os loops têm estruturas irregulares, portanto, a avaliação de suas propriedades de geometria, como tamanho do ponto e formato da superfície, é um desafio. Para identificar a irregularidade dos loops, a avaliação tradicional que é uma dimensão integral não pode ser utilizada. A teoria fractal é sugerida para analisar a categoria de irregularidade em nosso entorno e na natureza. O conceito proposto de dimensão fractal é uma excelente ferramenta para exibir morfologia complexa que apresenta as regras, a complexidade e a rugosidade da superfície têxtil. Como todos os fractais não são completamente auto-semelhantes, o cálculo matemático é usado para discutir a configuração da geometria. A fim de compreender a superfície da estrutura de malha, algumas imagens visualizam as informações transportadas na Fig. 5d. Conforme mostrado na Fig. 5d, a característica da superfície convexa pode ser observada intuitivamente de diferentes perspectivas onde a evidência para confirmar a morfologia elevada é.

Curva de encaixe e algumas imagens visuais para tecidos de tricô. a A estrutura de costela m * n. b A estrutura de costelas de 2 * m. c Alguma estrutura de cabo horizontal de agulha. d As imagens visuais de diferentes aspectos

A superfície irregular foi formada com a estrutura de malha desenhada causada pela morfologia do fio e desenho da estrutura. The fractal geometry is an efficient calculation for evaluating the textile surface and understanding the characteristic of knitted structures and ability of triboelectric charge generation. In fact, with the increase of the raised unit, it can improve the uneven knitted textile owing to the surface shape modified. Although all of the knitted textile own convex structures in longitude and transverse direction, the degree of similarity is still not confirmed that is the significant reference value for whether using fractal dimension successfully or not. To estimate the feasibility of fractal dimension, all of the knitted fabrics are calculated through measuring the width of the convex unit, the size of loops in length, and width when textiles stay in stable size. Figure 5 a, b, and c show the fitting curve of fractal dimension of nos. 1–10 type fabrics, and slope of a line means the fractal dimension. The existence of the relationship is found in convex structures of the ten different types of knitted textiles, which confirms the fractal characteristic of ten knitted fabrics. Therefore, the fractal theory applied in the analysis of diversity knit structure that is practicable.

Figure 6a–f illustrates the generated Isc and Voc based on the practical applications of contact and separation working KNGs, based on the structure types and shape types. There is a trend that a decrease with the knit unit increases about the Isc and Voc as shown in Fig. 6a–f. This is because the Isc is changed with the effective contact area which is affected by knit structures.

Schematic illustration of fractal dimension and generated Isc and Voc. a The Isc of m*n rib. b the Voc of the m*n rib. c The Isc of 2*m rib. d The Voc of the 2*m rib. e The Isc of n type. f The Voc of n type. g The D_f -transfer charge curve. h The F value curve

When calculating the D _f of various knit structures, the investigated knit structure states that the different knit structures have an unequal value which is non-integral dimension due to the different components of convex as demonstrated in Fig. 6g. As for Fig. 6g, this is the image of the transfer charge versus fractal dimension curve of diversity structures. The rib structure presents desirable output performance and the fractal dimension near the value of one. The TENGs based on structure-type knitted-textiles have a higher transfer charge than shape type and the value of D _f about the m*n rib type, 2*n rib type, and n type is in the range of 0–2, 0–1, and 1–2, respectively. Generally, the fractal dimension symbolizes the extent of surface roughness which is the roughness increasing with the large D _f . However, the shape-type fabrics are designed in horizontal cord with small line-contact area, so the roughness has little influence on the transfer charge.

In order to demonstrate the influence on D _f of convex structure homogeneity in rib structures, the random side length is chosen and calculated. The result exhibits as follow:
$$ \varepsilon \left(a\ast b\right)=M\left(l\ast b\right) $$ (1-4) $$ N=\frac{a}{l} $$ (1-5)
onde a is the length of the whole fabric, b is the width of the convex unit and is equal to the width of the whole fabric, l is the length of the convex unit, M is the number of the convex unit, N is the repeated multiple of self-similar units that is the length of convex units to the length of whole samples, and ε is the proportion of face loop and reverse loop, meaning the uniform of the convex distraction.

Then, the calculation of M e N can be used in the formulation (1-3), the result shows that obtained D _f is not the same with the D _f that is calculated based on the length of actualmeasurement as shown in Table 3. No matter how the raised structure is distributed, the value of D _f is affected by the practical length and number of cords.

It is noted that the fractal dimension of the 2*1 rib structure is close to the 1*1 rib reach at 0.99, and thus, the transfer charge is much the same as shown in Fig. 6g. The generated electrical-output performance shows the highest when the D _f is near the value of one. That has provided one guess if the fractal dimension can evaluate the surface morphology and character the output performance. To investigate the correlation of fractal and transfer charge, the difference between the fractal dimension and the value of one (named F value) has been illustrated in Fig. 6h. The operating results show a trend that is decreased F value can boost the much higher Voc, taking evidence for potential application of fractal dimension. However, the F value is regarded as an evaluation of the roughness structures, which needs to consider the properties of the primary loop of the structure. Then, the influence on transfer charge is discussed comprehensively. The sample of no. 4 and no. 6 has a similar F value, but the massive difference exists on both of output performance. The surface morphology of no. 4 shows the planar structure due to the same number of face and reverse loops, so the transfer charge is low. Mas não. 6 has prominent appearance due to the reverse loops over the face stitches and the generated large transfer charge when contacting and separating. Therefore, the selection and design of the knitted structure of the textile based on the F value highly improved the generated total electrical charge, which is an indispensable requirement for construct a high-effective flexible self-power device based on the knitted textiles.

Conclusão

We have demonstrated that the knitted textile with high flexibility and excellent transfer charge can be applied in flexible TENGs for harvesting irregular and low-frequency biomechanical energy, which owns an outstanding output performance. To identify the relationship between surface morphology and output property, fractal theory has been used to quantify the surface geometry and used to evaluate its influence on the transfer charge ability of surface appearance. Different knit structures have been fabricated that can analyze their impact on energy harvesting. From the aspect of the knitted unit, the result shows that the maximum output of 1*1 rib structure can reach at 213 V with the minimum knitted unit. In addition, to further understand the working mechanism and the geometry of contact area, the various knit structures have been illustrated in a fractal dimension that is distinct from traditional dimension. Through calculation, different knitted structures with identical knit units can be used to obtain fractal dimension with the same knit units. The generated electrical output can be increased with the fractal dimension close to the value of one. Therefore, the difference between the fractal dimension and the value one can be used in the evaluation of transfer charge ability according to the irregular surface. In the near future, it is expected that an evaluation for generating output ability based on fractal theory in constructing a triboelectric nanogenerator, obtaining maximum output performance to optimize the flexible self-power system for harvesting wasted human motions in our daily life will be investigated.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados gerados ou analisados ​​durante este estudo estão incluídos neste artigo publicado.

Abreviações

E-skins:

Electronic skins

IoT:

Internet of Things

PDMS:

Polidimetilsiloxano

TENG:

Nanogerador triboelétrico

PTFE:

Politetrafluoroetileno

D_f :

Fractal dimension

CS:

Contact-separate working mode

KNG:

The triboelectric nanogenerator based on knitted textile

Voc:

The open-circuit voltage

Isc:

Corrente de curto-circuito

Qsc:

Transfer charge

F value:

The difference between the fractal dimension and the value of one

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