Aprimorando a Transferência de Carga em Nanogeradores Triboelétricos com Estrutura de Malha via Análise de Morfologia de Superfície

Resumo

A colheita de energia biomecânica residual forneceu abordagem promissora para melhorar o suprimento de energia de dispositivos vestíveis para estender vida útil. Morfologia de superfície é fator significativo para aumentar desempenho de saída de nanogerador triboelétrico; porém, há limitação para avaliar morfologia da superfície e seu impacto na geração de energia. Para avaliar relação entre morfologia de superfície e transferência de carga, existe teoria matemática, a teoria da geometria fractal, proposta para analisar característica de morfologia de superfície irregular. Esta teoria proporcionou boa compreensão da área de contato e rugosidade da superfície. Projetamos três categorias de estruturas de malha com aparência de cordão usando máquina de malharia reta e analisamos suas características de superfície. Enquanto isso, as estruturas geométricas podem ser demonstradas através da dimensão fractal para avaliar desempenho de saída gerado durante contato e separação. A presente pesquisa exibe que, com aumento do número de unidades malhadas, o desempenho de geração de energia triboelétrica continuou a reduzir devido à área de contato disponível diminuindo. Após calcular dimensão fractal de diferentes estruturas de malha, as estruturas de nervura m*n mostram alta transferência de carga quando a dimensão fractal está próxima do número um, especialmente a dimensão fractal da estrutura de nervura 1*1 que pode atingir 0,99. A teoria fractal pode ser usada como abordagem para avaliar influência no desempenho de saída de morfologia de superfície irregular, não relacionada à distração de unidade convexa uniforme. O resultado desta pesquisa também demonstrou viabilidade de nanogerador triboelétrico baseado em malha na colheita de energia biomecânica para alimentar eletrônicos portáteis integrados em vestuário.

Introdução

Técnicas avançadas de inteligência varreram o mundo global e trouxeram novos dispositivos vestíveis inteligentes flexíveis, como sensores de rastreamento de saúde, dispositivos de detecção de gestos, peles eletrônicas (E-skins), circuitos flexíveis e vestíveis de fibra óptica. Porém, com desvantagens de peso em massa, baixa eficiência de conversão, poluição ambiental séria e curta vida útil de bateria, o suprimento de energia é limitação enorme para desenvolvimento de eletrônicos. Desde que o primeiro nanogerador triboelétrico (TENG) foi desenvolvido com sucesso em 2012, baseado na característica de pequena escala, leveza, diversos materiais, segurança, virtudes ambientais e alta eficiência, forneceu estratégia promissora e eficaz para abordar os problemas acima. Junto com o rápido advento de TENGs funcionando através de efeito acoplado de eletrificação por contato e indução eletrostática, foi confirmado como abordagem desejável para obter energia mecânica do ambiente, especialmente colhendo movimentos de baixa frequência e irregulares (incluindo vento, gota d'água e movimento humano, energia biomecânica, etc.), realizando transmissões de dados e suplemento de energia na Internet das Coisas (IoT). Para dispositivos vestíveis, têxteis são considerados melhor substrato, devido à sua retenção estrutural e resistência à fadiga, maciez, integração e alta porosidade. Até hoje, integração de nanogerador triboelétrico e têxtil tradicional é um dos candidatos promissores para dispositivos vestíveis orientados para humanos, como sensores flexíveis autoalimentados, colhedores de energia vestíveis e sistemas de armazenamento de energia baseados em têxtil. Também dotou têxteis convencionais com funcionalidade, inteligência e alto valor agregado. Estes dispositivos eletrônicos baseados em têxtil satisfazem requisitos de leveza, baixo custo, conforto, respirabilidade, portabilidade, durabilidade e laváveis para uso rotineiro. Além disso, é fácil fazer têxtil com cores variadas e desenhos de padrões abundantes que representam atratividade para têxteis inteligentes. Especialmente, têxteis de malha com pequena deformação e grande deformação são sensíveis à geração de sinal, sendo ideais para sensores flexíveis, superando resistência de movimento e reduzindo perda de energia. Adicionalmente, atritos e deformações de têxtil de malha são fenômenos comuns que são opinião emocionante para construção de nanogerador triboelétrico.

Como sabemos, modificação de morfologia de superfície é abordagem significativa para aumentar desempenho de saída de TENGs. A maioria visa aumentar área de contato disponível e rugosidade da superfície. Existem dois métodos primários que mudam morfologia de superfície: gravação de superfície e replicação de superfície. Porém, uso de técnicas de fabricação multi-etapa, área de tratamento limitada e alto custo para gerar aparência de superfície é difícil para produção industrial. Aqui, Li et al. investigaram filme de polidimetilsiloxano (PDMS) com microestruturas de superfície descascadas de lixa, que foi método de baixo custo e processo único para preparar diferentes rugosidades de superfície. Resultados experimentais mostraram saída máxima gerada de 46,52 V sob classe de rugosidade 3000 detectada por perfilador óptico 3D de superfície. Além disso, muitas microestruturas podem diminuir severamente a superfície de contato efetiva e resultar em redução da capacidade de desempenho de potência. O tamanho de TENGs era limitado pela área da lixa, o que levava a aumento do custo de fabricação. Atualmente, estruturas têxteis estão recebendo atenção crescente devido à formação de aparências de superfície abundantes sem processamento de fabricação complexo e alto custo. Para compreender totalmente aparências de superfície têxtil, alguns fatores precisam ser considerados em termos de componentes únicos e características de estrutura, incluindo aspecto do fio, parâmetros físicos do têxtil e estruturas de malha. Então, Kwak et al. investigaram área de contato de três estruturas (incluindo estruturas de tecido liso, duplo e nervura) durante estiramento e discutiram contribuição para aumentar potencial. Valeu notar que tecido de nervura pode ser esticado até 30%, aumentando área de contato para 180 cm². Dependendo da região central existente, tecido de nervura pode ser esticado largamente, obtendo potencial maior para aumentar área de contato. Como elemento primário da estrutura têxtil, a característica de laços foi analisada que também era fator significativo para influenciar aparência de superfície. Huang et al. focaram no efeito de parâmetros básicos de têxtil (incluindo pernas de laço, afundadores de laço e densidade do têxtil) para confirmar diferença no desempenho de saída. Nanogerador triboelétrico baseado em tecido de alta densidade de ponto pôde gerar maior energia elétrica com densidade de potência de pico máxima de 203 mW m⁻² a 80 MΩ, o que faz maior área de contato efetiva. O resultado exibiu que morfologias de superfície de várias estruturas de tecido tiveram influência na capacidade de saída elétrica. Para colher muito mais energia para estender vida útil, têxteis de ponto interlock 3D de face dupla foram malhados por agulha dupla reta, que exibiram mesmo desempenho de saída em lado frontal e traseiro. Adicionalmente, TENGs baseados em estrutura têxtil tridimensional puderam gerar alta densidade de potência de 3,4 mW m⁻² na resistência externa de 200 MΩ, demonstrando que capacidade de colheita de energia foi melhorada. Porém, as aparências de superfície acima mencionadas têm pouca descrição na forma geométrica da superfície, e fatores sobre carga de transferência gerada ainda sofrem de falta de explicações específicas. Não há maneira universal que possa caracterizar aparência de superfície, o que precisa encontrar avaliação de morfologia irregular. Portanto, essa é limitação para compreender totalmente transferência de carga no nanogerador triboelétrico atualmente.

O propósito de análise de superfície é caracterizar estruturas geométricas dos têxteis, que podem ser testadas em duas abordagens: método de contato e método óptico. O método de contato pode descrever morfologia de superfície bem, mas tempo necessário é muito maior, e a agulha deixa rastro na superfície. Comparado ao método de contato, com benefícios de tempo curto de medição, baixa dureza de superfície e fácil detecção, o método óptico tem sido usado para detectar rugosidade de superfície. Porém, falhas falsas e alto nível de ruído podem reduzir julgamento da morfologia real de superfície.

A ferramenta matemática é uma análise teórica que pode ser usada para quantificar extensão de rugosidade de superfície. É abordagem inovadora para avaliar superfície irregular. Com tal superfície irregular, método matemático convencional de geometria euclidiana não pode ser usado porque é realmente difícil julgar dimensão geométrica quantitativa e precisão de medição, como comprimento de segmento e peso do objeto. Porém, geometria fractal, abordagem nomeada por Mandelbrot para descrever estruturas irregulares, foi fornecida para resolver o problema e definir irregularidade na natureza, como propriedades físicas de espumas e avaliação para lisura de tecido. Quase todas as superfícies rugosas podem ser divididas em algumas partes auto-semelhantes que podem ser representadas por dimensão não-integral, chamada dimensão fractal (D_f). Baseado nas várias superfícies geométricas, o valor de D_f precisa ser considerado e analisado que tem efeito na rugosidade e área de contato eficiente no design de nanogerador triboelétrico, otimizando capacidade de converter movimentos humanos em elétricos.

Aqui, neste trabalho, apresentamos várias morfologias de superfície baseadas em estruturas de malha que são adotadas como uma das camadas dielétricas. O TENG baseado em têxtil de malha foi fabricado usando fios comerciais e máquina de malharia industrial, que pode realizar produção em larga escala e aplicações práticas. Para imitar movimento de bater mão, TENGs são projetados no modo de trabalho contato-separação (CS) que é mecanismo de trabalho mais simples. As estruturas de malha são formadas em dois tipos de abordagem, incluindo morfologia de superfície convexo-côncava baseada em estrutura e baseada em forma. Devido à diversidade de estruturas de malha, as aparências de superfície resultantes podem ser sistematicamente investigadas e analisadas para confirmar relação entre morfologia de superfície e estruturas de malha. O D_f de cada tecido pode ser calculado através do princípio fractal apropriado, avaliando rugosidade da superfície do tecido. A máxima transferência de carga de aparência de superfície em nervura 1*1 pode atingir até 91,66 nC por movimento de bater e soltar, que obtém dimensão fractal de 0,99. E fenômeno interessante exibe que com valor de D_f fechando ao número um, a transferência de carga pode ser maior. Finalmente, usando teoria fractal e estruturas de malha pode fornecer método eficaz para avaliação quantitativa de transferência de carga e espera-se que ajude a projetar TENGs baseados em têxtil de malha com mais eficiência, produção industrial e custo barato.

Materiais e Métodos

Materiais

Fios de nylon (dtex 600, AnTong KeJia Produtos de Fibra Têxtil Co., Ltd.) que eram comumente disponíveis malhados em dois tipos de têxteis de nervura e tecidos convexos com calibre de 15 (agulha/pol) na máquina de peça inteira (SHIMA Seiki Co., Japão). Filme de politetrafluoretileno (PTFE) com espessura de 0,05 cm (Chenqi Técnica Elétrica Co. Ltd.) é usado. Eletrodo dobrado e torcido é folha de cobre comercial (Shenzhen Biaozhitape Co. Ltd) com espessura de 0,06 mm colada na parte traseira do têxtil malhado para transferir carga polarizada.

Fabricação dos Tecidos Malhados e Nanogerador Triboelétrico Baseado em Têxtil Malhado

A técnica de trama como método representativo de malharia pode facilmente dotar tecidos com alta elasticidade, baixo custo e desempenho estético. Com vantagens de malharia de posição, os têxteis de potência podem ser integrados em roupas sem técnicas de costura adicionais. Existem dez texturas convexo-côncavas projetadas que são representadas na Tabela 1. Para demonstrar relação entre morfologia de superfície e transferência de carga, cordões longitudinais e transversais são malhados na superfície do têxtil. Então dez texturas diferentes são representadas na Tabela 1, onde as primeiras sete amostras exibem cordão longitudinal na superfície, e as aparências de superfície do nº 8, nº 9 e nº 10 são convexos transversais. Aqui, as estruturas são malhadas por máquina de malharia reta computadorizada que é adequada para processo industrial de alta eficiência, e os têxteis são capazes de personalizar escala customizada. Através do próprio sistema de design, tecidos podem ser projetados rapidamente e preparados facilmente, especialmente para projetar padrões intrincados. Todos os tecidos precisam ser deixados por 24 h com condição atmosférica padrão para relaxar tecido ao estado de tamanho estável, que visa diminuir influência de encolhimento de relaxamento e aumentar resultado de precisão de teste. Então, mesma fita condutiva foi colada na parte traseira dos têxteis. Baseado em nanopartículas altamente polarizáveis, o filme feito de PTFE foi adotado como o outro material dielétrico. O filme ainda é aderido a um pedaço de folha de cobre, transferindo migração de elétrons. Quanto ao CS, fios condutores foram conectados a dois modelos de atrito, que se movem na direção vertical. Então os TENGs têxteis baseados em CS foram fabricados.

Caracteres Fractais dos Tecidos Malhados

Nem todos os objetos naturais são de forma e fronteira incompletamente regulares, incluindo costa, floco de neve, nuvem e folha. Portanto, dimensão fractal é usada para descrever morfologia irregular gerada por diferentes métodos, que é método eficaz identificado em muitos trabalhos de pesquisa. Existem várias formulações definidas como dimensão fractal, incluindo dimensão de Hausdorff, dimensão de contagem de caixa e dimensão similar, que é parâmetro crucial para quantificar estilo da superfície. A dimensão fractal típica era a curva de Kohn como floco de neve, que foi apresentada pela primeira vez em 1904. A área limitada por três auto-semelhanças com infinito é restrita, nomeada curvas de Kohn, cuja dimensão fractal é 1,2618. Geralmente, dimensão fractal pode ser calculada por escala a, que indica comprimento, largura e área. A seguinte fórmula pode apresentar a relação:

F(a) ≈ 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 de superfície irregular, D_f, pode ser determinada em abordagem de dimensão de Hausdorff baseada na análise de tamanho relativo de unidade similar. Como fator de formação de superfície de cordão, o distrito convexo que inclui várias unidades de microestrutura 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 é o múltiplo repetido de unidades auto-semelhantes que é o comprimento das unidades convexas para o comprimento de toda a amostra, e D_f é a dimensão fractal das estruturas elevadas. A equação é um modelo que pode ser usado para prever morfologia de superfície, então:

D_f = log M / log N (1-3)

Caracterização

Microscópio digital Dino-lite edge (AnMo corporation eletrônica) foi usado para medir densidade de tecidos malhados a partir de imagens fotográficas. Os sinais elétricos de nanogerador triboelétrico de tecido malhado durante modo de contato e separação foram operados por motor linear auto-montado e eletrometro (sistema Keithley 6514) baseado no sistema LabVIEW.

Resultados e Discussão

Para confirmar materiais de atrito, a série triboelétrica é referência significativa, que quantificou polarização triboelétrica de diferentes materiais comuns. A série triboelétrica apresenta que um lado mostra capacidade de ganhar carga e o outro lado possui alta capacidade de perder elétrons, que foram definidos como desempenho fundamental de material. Para obter desempenho de saída excepcional, um par de materiais é selecionado que precisa ser atribuído à série triboelétrica com distância considerável, aumentando diferença de potencial. Aqui, um é o comercial, baixo custo, excelente resistência à abrasão e tendência altamente carregada positivamente (nylon) e o outro mostra tendência carregada negativamente (PTFE). Neste trabalho, selecionamos membrana de PTFE sem qualquer tratamento na superfície. Aqui, o único fator é estruturas de malha que podem ser analisadas pelo desempenho de transferência de carga. Outro elemento crítico é material do eletrodo que é folha de cobre com alta flexibilidade, que pode ser colada diretamente, que é processo de fabricação simples e de uma etapa. Comparado aos metais preciosos de prata e ouro, o preço da folha de cobre é barato e pode ser usado para fabricar produtos econômicos. Então cobre tem sido amplamente aplicado como circuitos flexíveis e eletrodos no design de dispositivos inteligentes.

Atualmente, existem quatro modos de trabalho universais de TENGs correspondentes a diferentes estruturas de eletrodos e movimentos. Com vantagens de fabricação fácil, seleção abundante de materiais, movimentos de direção vertical recíproca, os TENGs CS são os primeiros profundamente investigados que têm capacidade potencial para colher alguma energia biomecânica, como bater mãos, caminhar e correr. Aqui, para investigar princípio de influência das estruturas de superfície, nanogeradores triboelétricos baseados em têxtil malhado (KNGs) foram projetados, correspondentes ao contato e separação entre tecido de nylon e filme de PTFE. O processo de montagem do nanogerador triboelétrico é apresentado na Fig. 1a, consistindo de tecidos malhados, membrana de PTFE e folha de cobre. A versatilidade do tecido malhado flexível em termos de sua capacidade de amassar (Fig. 1 bi), dobrar (Fig. 1 bii), draping (Fig. 1biii) e dobrar (Fig. 1biv) em qualquer direção é adaptada em várias escalas representadas na Fig. 1b. Os KNGs podem ser projetados baseados no requisito de posição de aplicação e estética da roupa. A diversidade de estruturas de malha foi malhada com diferentes aparências de superfície, e então estas fotografias da superfície do 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, amassado; ii, dobrado; iii, draping; iv, dobrado. c Todas as estruturas de malha fabricadas, do número 1 a 10

O mecanismo de operação dos KNGs é simplesmente apresentado na Fig. 2a. Para medir transferência de carga, a distância máxima e a frequência dos movimentos do motor linear são definidas como 10 cm e a 0,3 Hz para simular movimentos de bater mãos, respectivamente. Quanto à monitoração comum, tensão de circuito aberto (Voc), corrente de curto-circuito (Isc) e transferência de carga (Qsc) são medidos por motor linear mecânico. No estado original (Fig. 2 ai), o têxtil de nylon produziu cargas positivas e filme de PTFE foi carregado com cargas negativas por causa da indução eletrostática e conservação de cargas. Quando o dispositivo foi pressionado (Fig. 2 aii), encolhimento 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 quantidade equivalente de elétrons pode ser mantida na superfície da área de contato porque ambos materiais dielétricos são isolantes (Fig. 2 aiii). À medida que o PTFE move de volta (Fig. 2aiv), o processo inverteu e a eletricidade será obtida equilíbrio novamente entre têxtil de nylon e PTFE, refletindo neutralização de cargas. Consequentemente, os elétrons fluirão de volta para diferenças de potencial elétrico. Nesta situação, os KNGs poderiam gerar Isc e Voc, que têm característica de mudança periódica, mostrada na Fig. 2 b e c. Na Fig. 2b e c, o inseto é gráfico ampliado descrito em um ciclo.

Mecanismo de funcionamento de potência elétrica e desempenho de saída de KNG. a Mecanismo de operação de KNG usando tecido de nylon 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 do têxtil, existem dois tipos de métodos usados, incluindo design de estrutura e formação de forma, como mostrado na Fig. 3. O design de estrutura depende da diferente proporção de pontos de laço frontal e pontos de laço reverso. As amostras totais são projetadas em sete tipos de nervura, incluindo tipo m*n (m = n = 1, 2, 3, 4) na Fig. 3a e 2*m (m = 1, 2, 3, 4) mostrado na Fig. 3b. A nervura tem aparência de cordão vertical devido aos wales de laço frontal que tendem a mover sobre e na frente dos wales de laço reverso; então, a altura máxima do cordão pode chegar a 0,2 cm. A nervura de m*n (m = n = 1, 2, 3, 4) pode ser balanceada por wales alternados de laços frontais em cada lado, então fica plana sem enrolar após corte. E ambos os lados do têxtil são a mesma aparência como mostrado na Fig. 3e. Porém, as diferentes proporções de laços frontais e reversos em estruturas de nervura 2*m, há superfície distinta que aparece, como mostrado na Fig. 3f. Adicionalmente, o processo de estiramento de tecido de nervura é dividido em duas etapas, incluindo wales reversos entrelaçados em ambos os lados até serem esticados para revelar wales de laço reverso entre eles e então todos os laços continuam a ser esticados sobre duas vezes mais largos que tecido simples equivalente. Portanto, comparado a tecidos lisos, têxteis de nervura têm potencial para aumentar capacidade elástica para colher movimentos de bater e esticar (direção transversal e longitudinal) durante modo de trabalho contato-separação. O outro método para estabelecer estrutura elevada é deformação de forma onde camada de ar é formada na superfície do têxtil n (n = 4, 5, 6) que é ilustrado na Fig. 3c. A espessura de área transversal está na faixa de 0,15 a 0,3 cm. A característica da camada de ar é estrutura de arco proeminente que pode fornecer espaço para acelerar separação de elétrons quando movimentos de gatilho. Acima de tudo mencionado, têxteis malhados são projetados através de máquina reta computadorizada que pode realizar precisão de localização de malharia, formando peça inteira e integrando materiais inteligentes em tecido perfeitamente. Tal nomenclatura de técnica de malharia foi marcada na Fig. 3d que representa corretamente as características da estrutura.

Características esquemáticas e componentes de estruturas de malha. a Características de nervura m*n. b Características de nervura 2*m. c Características de alguns cordões horizontais de agulha. d Nomenclatura de técnica de malharia. e Imagem do lado frontal e traseiro na estrutura de nervura 1*1. f Imagem do lado frontal e traseiro na estrutura de nervura 2*1

Trabalhos prévios demonstraram que área de contato efetiva do lado frontal era muito maior que a traseira do têxtil; resultando em transferência de carga duas vezes maior que desempenho de saída do lado traseiro. Isso porque o comprimento do laço de agulha era maior que o laço de afundador. Portanto, para aumentar desempenho de saída e criar apenas um fator influente, as estruturas elevadas de contato consistem de laços do lado frontal. As saídas dos KNGs dependendo do número de unidades convexas são plotadas na Fig. 4. Tendência decrescente onde área de contato de todos os têxteis experimentados diminuiu com número de unidade elevada foi formada. Também, as cargas elétricas mais significativas estão na ordem sequencial da nervura 1*1, nervura 2*1 e estruturas de forma de quatro agulhas (primeiro ponto de cada linha) com valores de 91,66 nC, 90,19 nC e 69,64 nC, respectivamente.

Desempenho de saída alterado através do número da unidade convexa

Então, a estrutura de malha com diferente morfologia de superfície em aspectos de diversidade de densidade de wale, número de unidade do lado frontal e estruturas são investigadas. Todos os parâmetros de dez tipos de têxteis malhados são testados e registrados na Tabela 2. Notavelmente, a densidade de carreira é sempre constante porque a aparência de cordão cresceu junto à direção vertical quando analisando amostras Nº 1–7. Então, densidade de wale como fator principal que precisa ser discutido refere-se às características de diferentes estruturas de malha. É óbvio que laço frontal e laço reverso têm mesma proporção nos Nº 1-4, cerca de 50%. Estes têxteis mostram as mesmas estruturas não importa o que é lado frontal ou traseiro baseado na malharia de ponto duplo. A espessura média mostra maior comparada às amostras nº 5–7 que consistem de número diferente de pontos frontais e pontos de reserva. Textura nº 4 possui a maior unidade de repetição que sua densidade de wale é duas vezes maior que nº 1. Porém, o número de unidades do lado frontal no tecido prático é quase metade declínio que nº 1. Isso porque mais laços de afundador são esticados entre si para que aparência de coluna possa ser formada. Com unidade malhada aumentando, o diâmetro da coluna e espessura dos tecidos são aumentados, aqui, diminuindo número de unidade do lado frontal e área de contato eficiente quando movimentos de gatilho. Em termos de estrutura de nervura com diferentes proporções de laço frontal e reverso, a aparência exibe característica de estrutura de face única obviamente, com unidades de repetição malhadas aumentando. Enquanto isso, a densidade de wale do nº 7 é tão grande quanto nº 1 e nº 5, mas o número de unidades de laço frontal tem diferenças distintas devido ao número de unidade malhada ser seis laços que são muito mais que nº 1 (2 laços) e nº 5 (3 laços), então desempenho de saída é menor que o de nº 1 e nº 5. Como resultado, o tecido malhado de nervura nº 1 representa a maioria das unidades de laço frontal nos nº 1–10 durante movimentos de contato-separação.

Por outro lado, o têxtil malhado de tipo forma foi projetado através de diferentes números de laços montados no tecido inteiro, formando estruturas de arco. Devido à direção do comprimento do cordão ser horizontal, a densidade de wale do tecido mostra estabilidade aproximada na direção transversal. A estrutura de arco fornece abordagem para separar carga na superfície, que tem espaço interno oco. Assim, a eficiência de colheita de energia mecânica residual foi melhorada. Geralmente, para aumentar desempenho de saída, tipo arco é feito de materiais flexíveis com elasticidade e durabilidade perfeitas, como substratos de silicone, mas é difícil ser malhado em máquina de malharia industrial para atender requisitos comerciais. Quando se trata de ver estrutura de arco baseada em têxtil malhado em pesquisas prévias, a construção precisa ser costurada ou colada, que é processo complexo e demorado. Apresentamos têxtil de arco malhado que é preparado através de técnica de formação inteira sem segunda fabricação que dota alta eficiência de produção. Entre as estruturas de cordão horizontal, a altura de 0,3 cm mostra a menor saída de carga comparada 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 têxteis malhados em grande distância entre ambas as extremidades fixas. A forma convexa mais alta é difícil de manter arco com pressão de força e recuperar forma primitiva, o que leva a algumas cargas serem neutralizadas. Como resultado, a diminuição da altura do arco pode aumentar tolerância das estruturas convexas. Porém, tais cordões de tipo forma reduzem área de contato efetiva que é tipo linha que tem poucas áreas que contato real, diminuindo desempenho de saída elétrica.

Laços têm estruturas irregulares, então avaliação de suas propriedades geométricas como tamanho de ponto e forma de superfície é desafiadora. Para identificar irregularidade dos laços, avaliação tradicional que é dimensão integral não pode ser utilizada. Teoria fractal é sugerida para analisar categoria de irregularidade em nossos arredores e natureza. O conceito proposto de dimensão fractal é ferramenta excelente para exibir morfologia complexa que apresenta as regras, complexidade e rugosidade da superfície do têxtil. Porque todos os fractais não são completamente auto-semelhantes, cálculo matemático é usado para argumentar configuração geométrica. Para entender superfície da estrutura malhada, algumas imagens visualizam informação carregada na Fig. 5d. Como mostrado na Fig. 5d, a característica de superfície convexa pode ser intuitivamente observada de diferentes perspectivas onde a evidência para confirmar morfologia elevada está.

Curva de ajuste e algumas imagens visuais para têxteis de malharia. a Estrutura de nervura m*n. b Estrutura de nervura 2*m. c Estrutura de cordão horizontal de algumas agulhas. d Imagens visuais de diferentes aspectos

Superfície irregular foi formada com estrutura de malha projetada causada pela morfologia do fio e design de estrutura. Geometria fractal é cálculo eficiente para avaliar superfície do têxtil e entender característica de estruturas malhadas e capacidade de geração de carga triboelétrica. De fato, com aumento da unidade elevada, pode melhorar têxtil malhado irregular devido à forma de superfície modificada. Embora todos os têxteis malhados possuam estruturas convexas em direção longitudinal e transversal, o grau de similaridade ainda não é confirmado que é valor de referência significativo para se usar dimensão fractal com sucesso ou não. Para estimar viabilidade de dimensão fractal, todos os tecidos malhados são calculados medindo largura da unidade convexa, tamanho dos laços em comprimento e largura quando têxteis ficam em tamanho estável. Figura 5 a, b e c mostram curva de ajuste de dimensão fractal dos tecidos tipo nº 1–10, e inclinação de uma linha significa dimensão fractal. A existência da relação é encontrada em estruturas convexas dos dez diferentes tipos de têxteis malhados, que confirma característica fractal de dez tecidos malhados. Portanto, teoria fractal aplicada na análise de diversidade de estrutura de malha que é praticável.

Figura 6a–f ilustra Isc e Voc gerados baseados nas aplicações práticas de KNGs de trabalho contato e separação, baseados nos tipos de estrutura e tipos de forma. Há tendência de diminuição com aumento da unidade de malha sobre Isc e Voc como mostrado na Fig. 6a–f. Isso porque Isc muda com área de contato efetiva que é afetada por estruturas de malha.

Ilustração esquemática de dimensão fractal e Isc e Voc gerados. a Isc de nervura m*n. b Voc da nervura m*n. c Isc de nervura 2*m. d Voc da nervura 2*m. e Isc de tipo n. f Voc de tipo n. g Curva D_f-carga de transferência. h Curva valor F

Ao calcular D_f de várias estruturas de malha, a estrutura de malha investigada afirma que diferentes estruturas de malha têm valor desigual que é dimensão não-integral devido aos diferentes componentes de convexo como demonstrado na Fig. 6g. Quanto à Fig. 6g, esta é imagem da curva de transferência de carga versus dimensão fractal de diversidade de estruturas. A estrutura de nervura apresenta desempenho de saída desejável e dimensão fractal próxima do valor um. Os TENGs baseados em têxteis malhados de tipo estrutura têm transferência de carga maior que tipo forma e o valor de D_f sobre tipo nervura m*n, tipo nervura 2*n e tipo n está na faixa de 0–2, 0–1 e 1–2, respectivamente. Geralmente, dimensão fractal simboliza extensão de rugosidade de superfície que é rugosidade aumentando com D_f grande. Porém, tecidos de tipo forma são projetados em cordão horizontal com pequena área de contato de linha, então rugosidade tem pouca influência na transferência de carga.

Para demonstrar influência em D_f de homogeneidade de estrutura convexa em estruturas de nervura, comprimento de lado aleatório é escolhido e calculado. O resultado exibe como segue:

ε(a*b) = M(l*b) (1-4)

N = a/l (1-5)

onde a é comprimento do tecido inteiro, b é largura da unidade convexa e é igual à largura do tecido inteiro, l é comprimento da unidade convexa, M é número da unidade convexa, N é o múltiplo repetido de unidades auto-semelhantes que é o comprimento das unidades convexas para o comprimento de todas as amostras, e ε é a proporção de laço frontal e laço reverso, significando uniformidade da distração convexa.

Então, cálculo de M e N pode ser usado na formulação (1-3), o resultado mostra que D_f obtido não é o mesmo com D_f calculado baseado no comprimento de medição real como mostrado na Tabela 3. Não importa como estrutura elevada é distribuída, valor de D_f é afetado pelo comprimento prático e número de cordões.

Nota-se que dimensão fractal da estrutura de nervura 2*1 é próxima da 1*1 atingindo 0,99, e assim, a transferência de carga é muito semelhante como mostrado na Fig. 6g. O desempenho de saída elétrica gerado mostra o mais alto quando D_f está próximo do valor um. Isso forneceu um palpite se dimensão fractal pode avaliar morfologia de superfície e caracterizar desempenho de saída. Para investigar correlação de fractal e transferência de carga, a diferença entre dimensão fractal e valor um (nomeado valor F) foi ilustrada na Fig. 6h. Os resultados de operação mostram tendência que é valor F diminuído pode aumentar muito mais alto Voc, dando evidência para aplicação potencial de dimensão fractal. Porém, valor F é considerado como avaliação das estruturas de rugosidade, que precisa considerar propriedades do laço primário da estrutura. Então, influência na transferência de carga é discutida abrangentemente. A amostra do nº 4 e nº 6 tem valor F similar, mas diferença massiva existe em ambos desempenhos de saída. A morfologia de superfície do nº 4 mostra estrutura planar devido ao mesmo número de laços frontais e reversos, então transferência de carga é baixa. Mas nº 6 tem aparência proeminente devido aos laços reversos sobre pontos frontais e gerou grande transferência de carga quando contactando e separando. Portanto, seleção e design da estrutura malhada do têxtil baseada no valor F aumentou muito a carga elétrica total gerada, que é requisito indispensável para construir dispositivo flexível autoalimentado de alta efetividade baseado em têxteis malhados.

Conclusão

Demonstramos que têxtil malhado com alta flexibilidade e excelente transferência de carga pode ser aplicado em TENGs flexíveis para colher energia biomecânica irregular e de baixa frequência, que possui desempenho de saída excepcional. Para identificar relação entre morfologia de superfície e propriedade de saída, teoria fractal foi usada para quantificar geometria de superfície e avaliar sua influência na capacidade de transferência de carga de aparência de superfície. Diferentes estruturas de malha foram fabricadas que podem analisar seu impacto na colheita de energia. Do aspecto da unidade malhada, resultado mostra que saída máxima de estrutura de nervura 1*1 pode atingir 213 V com unidade malhada mínima. Adicionalmente, para compreender melhor mecanismo de funcionamento e geometria de área de contato, várias estruturas de malha foram ilustradas em dimensão fractal que é distinta da dimensão tradicional. Através de cálculo, diferentes estruturas malhadas com unidades de malha idênticas podem ser usadas para obter dimensão fractal com as mesmas unidades de malha. A saída elétrica gerada pode ser aumentada com dimensão fractal próxima ao valor um. Portanto, a diferença entre dimensão fractal e valor um pode ser usada na avaliação de capacidade de transferência de carga de acordo com superfície irregular. No futuro próximo, espera-se que avaliação para gerar capacidade de saída baseada em teoria fractal na construção de nanogerador triboelétrico, obtendo desempenho de saída máximo para otimizar sistema flexível autoalimentado para colher movimentos humanos residuais em nossa vida diária será investigada.

Disponibilidade de Dados e Materiais

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

Abreviações

E-skins:

Peles eletrônicas

IoT:

Internet das Coisas

PDMS:

Polidimetilsiloxano

TENG:

Nanogerador triboelétrico

PTFE:

Politetrafluoretileno

D_f:

Dimensão fractal

CS:

Modo de trabalho contato-separação

KNG:

Nanogerador triboelétrico baseado em têxtil malhado

Voc:

Tensão de circuito aberto

Isc:

Corrente de curto-circuito

Qsc:

Transferência de carga

Valor F:

Diferença entre dimensão fractal e valor um