Анализ морфологии поверхности трибоэлектрического наногенератора на основе вязкой структуры для увеличения переносимого заряда

Введение

Передовые методы интеллекта охватили глобальный мир и привели к появлению некоторых новых гибких интеллектуальных носимых устройств, таких как датчики отслеживания состояния здоровья [1, 2], устройства обнаружения жестов [3,4,5,6], электронные оболочки (E-skins). ) [7, 8], гибкие схемы [9, 10] и носимые устройства из оптического волокна [11, 12]. Однако с такими недостатками, как масса, низкая эффективность преобразования, серьезное загрязнение окружающей среды и короткое время автономной работы, дополнительная мощность является огромным ограничением для развития электроники. Поскольку первый трибоэлектрический наногенератор (TENG) был успешно разработан в 2012 году [13], на основе характеристик небольшого размера, легкости, различных материалов, безопасности, экологических достоинств [14] и высокой эффективности, он обеспечил многообещающий и эффективный стратегия решения проблемы над проливами. Наряду с быстрым появлением ТЭНов, работающих за счет сочетанного эффекта контактной электризации и электростатической индукции [15], он стал одним из желательных подходов к получению механической энергии [16, 17] из нашего окружения, особенно за счет сбора низкочастотных и нерегулярных движения (включая ветер [18, 19], водяную каплю и движение человека, биомеханическую энергию и т. д. [20,21,22]), осуществляя передачу данных [23,24,25] и добавление энергии в Интернет вещей (IoT) [26]. Для носимых устройств текстиль считается лучшим субстратом из-за его структурной устойчивости и сопротивления усталости, мягкости, интеграции и высокой пористости. На сегодняшний день интеграция трибоэлектрического наногенератора и традиционного текстиля [27,28,29,30,31,32,33] является одним из многообещающих кандидатов для носимых устройств, ориентированных на человека, таких как гибкие датчики с автономным питанием [34] , переносные устройства для сбора энергии и системы хранения энергии на текстильной основе. Обычный текстиль также наделен функциональностью, интеллектом и высокой ценностью. Эти электронные устройства на основе текстиля удовлетворяют требованиям к легкости, дешевизне, удобству, воздухопроницаемости, портативности, долговечности и возможности стирки для повседневного использования. Кроме того, легко изготавливать ткани различных цветов и разнообразных узоров, которые представляют привлекательность для интеллектуальных тканей. В частности, трикотажные ткани с небольшой деформацией и большой деформацией чувствительны к генерации сигналов, поэтому идеально подходят для использования в гибких датчиках, преодолевая сопротивление движению и уменьшая потери энергии [35]. Кроме того, трение и деформации трикотажного текстиля - распространенные явления, которые вызывают восторг при создании трибоэлектрического наногенератора.

Как мы все знаем, изменение морфологии поверхности является важным подходом к повышению производительности TENG [36,37,38,39]. Большинство из них предназначены для увеличения доступной площади контакта и шероховатости поверхности. Есть два основных метода, которые изменяют морфологию поверхности:один - травление, другой - репликация поверхности. Однако использование очень дорогой, ограниченной площади обработки и многоступенчатой ​​технологии производства для создания внешнего вида поверхности затруднительно для промышленного производства. Здесь Ли и др. [40] исследовали пленку полидиметилсилоксана (ПДМС) с микроструктурами поверхности, отслаиваемыми от наждачной бумаги, что представляло собой однократный и недорогой метод получения разной шероховатости поверхности. Результаты экспериментов показали генерируемый максимальный выходной сигнал 46,52 В при классе шероховатости 3000, обнаруженный с помощью трехмерного оптического профиля поверхности. Кроме того, слишком много микроструктур может сильно уменьшить эффективную контактную поверхность и привести к снижению способности к силовым характеристикам. Размер TENG был ограничен площадью наждачной бумаги, что привело к увеличению стоимости изготовления. В настоящее время текстильным структурам уделяется все больше внимания из-за формирования обильного внешнего вида поверхности [38] без сложной обработки и высокой стоимости. Для полного понимания внешнего вида текстильной поверхности необходимо учитывать некоторые факторы с точки зрения уникальных компонентов и особенностей структуры, включая внешний вид нити, физические параметры текстиля и структуру трикотажа. Затем Kwak et al. [41] исследовали площадь контакта трех структур (включая плоские, двойные и ребристые структуры) во время растяжения и обсудили вклад в повышение потенциала. Стоило отметить, что ребристую ткань можно растянуть до 30%, увеличив площадь контакта до 180 см ² . В зависимости от существующей средней области ткань ребер может сильно растягиваться, что может дать более высокий потенциал для увеличения площади контакта. В качестве основного элемента текстильной структуры были проанализированы характеристики петель, которые также были значимым фактором, влияющим на внешний вид поверхности. Хуанг и др. [42] сосредоточили внимание на влиянии основных параметров ткани (включая ноги петли, грузила петли и плотность ткани) для подтверждения разницы в производительности. Трибоэлектрический наногенератор на основе ткани с большой плотностью стежков может генерировать более высокую электрическую энергию с максимальной пиковой плотностью мощности 203 мВт м ⁻² на 80 МОм, что обеспечивает большую эффективную площадь контакта. Результат показал, что морфология поверхности различных тканевых структур влияет на выходную электрическую мощность. Чтобы собрать гораздо больше энергии для продления срока службы, трехмерные ткани с двухсторонним стежком интерлоком [43] были связаны с помощью плоской двойной игольной кровати, которая показала одинаковые выходные характеристики на лицевой и обратной стороне. Кроме того, ТЭНы на основе трехмерной текстильной структуры могут генерировать высокую плотность мощности 3,4 мВт м ⁻² при внешнем сопротивлении 200 МОм, демонстрируя, что способность сбора энергии была улучшена. Однако вышеупомянутый внешний вид поверхности мало отражается на геометрической форме поверхности, и факторы, связанные с генерированным переносящим зарядом, все еще страдают от отсутствия конкретных объяснений. Не существует универсального метода, который мог бы охарактеризовать внешний вид поверхности, который требовал бы оценки неправильной морфологии. Следовательно, это ограничение для полного понимания передаточного заряда трибоэлектрического наногенератора в настоящее время.

Целью анализа поверхности является определение геометрических структур текстиля, которые могут быть проверены двумя способами:контактным методом и оптическим методом [44]. Контактный метод может хорошо описать морфологию поверхности, но требуется гораздо больше времени, и игла оставляет след на поверхности. По сравнению с контактным методом, благодаря преимуществам короткого времени измерения, небольшой площади ремня безопасности и легкости обнаружения, оптический метод был использован для обнаружения шероховатости поверхности. Однако ложные зазоры и высокий уровень шума могут снизить оценку реальной морфологии поверхности.

Математический инструмент представляет собой теоретический анализ, который можно использовать для количественной оценки степени шероховатости поверхности. Это новый подход к оценке неровностей поверхности. С такой неровной поверхностью обычный математический метод евклидовой геометрии не может быть использован, потому что действительно трудно судить о количественных геометрических размерах и точности измерений, таких как длина сегмента и вес объекта. Однако фрактальная геометрия, подход, названный Мандельбротом для описания нерегулярных структур, была предоставлена ​​для решения этой проблемы и определения неоднородностей в природе [45], таких как физические свойства пен [46] и оценки гладкости ткани [47]. . Почти все шероховатые поверхности можно разделить на несколько самоподобных частей, которые могут быть изображены нецелым измерением, называемым фрактальным измерением ( D _f ). На основе различных геометрических поверхностей значение D _f необходимо рассмотреть и проанализировать, что влияет на шероховатость и эффективную площадь контакта в конструкции трибоэлектрического наногенератора, оптимизируя способность преобразования движений человека в электрические.

Здесь, в этой работе, мы представляем различные морфологии поверхности на основе сшитых структур, которые приняты в качестве одного из диэлектрических слоев. TENG на основе трикотажно-текстильного материала был изготовлен с использованием коммерческих нитей и промышленной вязальной машины, которая может реализовывать крупномасштабное производство и практическое применение. Для имитации взмахов руки ТЭНы разработаны в режиме контактно-раздельной работы (КР), который является наиболее простым рабочим механизмом. Связанные структуры формируются двумя способами, включая структурированную и профильную, выпукло-вогнутую морфологию поверхности. Из-за разнообразия трикотажных структур результирующий внешний вид поверхности можно систематически исследовать и анализировать для подтверждения взаимосвязи между морфологией поверхности и трикотажными структурами. D _f каждой ткани можно рассчитать по соответствующему фрактальному принципу, оценивая шероховатость поверхности ткани. Максимальный переносимый заряд внешнего вида поверхности в ребре 1 * 1 может достигать 91,66 нКл при взмахах и высвобождении движений, что дает фрактальную размерность 0,99. Интересный феномен демонстрирует, что при значении D _f приближаясь к цифре один, комиссия за перевод может быть выше. Наконец, использование теории фракталов и трикотажных структур может обеспечить эффективный метод количественной оценки переносимого заряда и, как ожидается, поможет в разработке ТЭНов на основе трикотажа и текстиля с большей эффективностью, промышленным производством и недорогой стоимостью.>

Материалы и методы

Материалы

Нейлоновая пряжа (dtex 600, AnTong KeJia Textile Fiber Products Co., Ltd.), которая была широко доступна, была связана с двумя видами ребристого текстиля и выпуклой тканью с толщиной 15 (игла / дюйм) на всей швейной машине (SHIMA Seiki Co., Япония). Используется пленка из политетрафторэтилена (PTFE) толщиной 0,05 см (Chenqi Electrical Technique Co. Ltd.). Изогнутый и скрученный электрод представляет собой промышленную медную фольгу (Shenzhen Biaozhitape Co. Ltd) толщиной 0,06 мм, наклеенную на заднюю часть трикотажного текстиля для передачи поляризованного заряда.

Производство трикотажных тканей и трибоэлектрического наногенератора на основе трикотажных тканей

Техника утка как типичный метод вязания может легко наделять ткани высокой растяжимостью [48], низкой стоимостью и эстетическими характеристиками. Благодаря преимуществам позиционного вязания, силовой текстиль можно интегрировать в одежду без дополнительных методов шитья. Разработаны десять выпукло-вогнутых текстур, которые показаны в таблице 1. Чтобы продемонстрировать взаимосвязь между морфологией поверхности и переносимым зарядом, на поверхности текстиля вяжут продольные и поперечные шнуры. Итак, десять различных текстур изображены в Таблице 1, в которой первые семь образцов имеют продольный корд на поверхности, а внешний вид поверхности - нет. 8, вып. 9, а нет. 10 - поперечно-выпуклые. Здесь конструкции вяжутся с помощью компьютеризированной плосковязальной машины, которая подходит для высокоэффективного промышленного процесса, а ткани могут адаптироваться к индивидуальному масштабу. Благодаря собственной системе дизайна ткани можно быстро и легко подготовить, особенно для создания замысловатых узоров. Все ткани необходимо оставить на 24 часа в стандартных атмосферных условиях для расслабления ткани до состояния стабильного размера, что предназначено для уменьшения влияния релаксационной усадки и повышения точности результатов тестирования. Затем на обратную сторону текстиля была наклеена токопроводящая лента такого же размера. Основанная на высокополяризуемых наночастицах, пленка из ПТФЭ была принята в качестве других диэлектрических материалов. Пленка все еще приклеена к куску медной фольги, переносящей миграцию электронов. Что касается CS, то токопроводящие провода были подключены к двум моделям трения, которые движутся в вертикальном направлении. Затем были изготовлены текстильные ТЭНы на основе CS.

Фрактальные персонажи трикотажных тканей

Не все природные объекты имеют неполную правильную форму и границы, включая береговую линию, снежинки, облака и листья. Таким образом, фрактальная размерность используется для описания неоднородной морфологии, созданной различными методами, что является эффективным методом, выявленным во многих исследовательских работах. Существует несколько формулировок, определяемых как фрактальная размерность, в том числе размерность Хаусдорфа, размерность счетной коробки и аналогичное измерение и др., Которое является ключевым параметром для количественной оценки стиля поверхности. Типичной фрактальной размерностью была кривая Кона, подобная снежинке, которая была впервые представлена ​​в 1904 году. Область, ограниченная тремя самоподобиями с бесконечностью, ограничена, называемыми кривыми Кона, фрактальная размерность которых равна 1,2618. Как правило, фрактальную размерность можно рассчитать по шкале a, которая указывает длину, ширину и площадь. Следующая формула может представить отношения:

где D _f - фрактальная размерность, которая отображается на наклоне графика логарифма.

Фрактальная размерность неровной поверхности, D _f , можно определить с помощью подхода размерности Хаусдорфа, который основан на анализе относительных размеров аналогичной единицы. В качестве фактора формирования поверхности корда выпуклый участок, включающий несколько микровыпуклых структурных единиц с разными краями и количеством, может быть выражен как:

где M - номер выпуклой единицы, N - повторяющиеся множественные самоподобные единицы, то есть длина выпуклых единиц на длину целых выборок, а D _f фрактальная размерность возвышающихся структур. Уравнение - это модель, которую можно использовать для прогнозирования морфологии поверхности, поэтому:

Характеристика

Цифровой микроскоп Dino-lite edge (корпорация AnMo electronic) использовался для измерения плотности трикотажных тканей по фотоизображениям. Электрические сигналы трибоэлектрического наногенератора трикотажного полотна в режиме контакта и разделения обрабатывались самосборным двигателем лайнера и электрометром (система Keithley 6514) на основе системы LabVIEW.

Результаты и обсуждение

Чтобы подтвердить фрикционные материалы, важным ориентиром является трибоэлектрический порядок [49], который позволяет количественно оценить трибоэлектрическую поляризацию различных распространенных материалов. Трибоэлектрический порядок показывает, что одна сторона показывает увеличение емкости заряда, а другая сторона обладает высокой способностью терять электроны, что было определено как фундаментальные характеристики материала. Чтобы получить выдающиеся выходные характеристики, выбирается несколько материалов, которые необходимо отнести к трибоэлектрической серии со значительным расстоянием, увеличивая разность потенциалов. Здесь одна из них представляет собой коммерческую, недорогую, отличную стойкость к истиранию и тенденцию к сильному положительному заряду (нейлон), а другая демонстрирует тенденцию к отрицательному заряду (ПТФЭ). В данной работе мы выбрали мембрану из ПТФЭ без какой-либо обработки поверхности. Здесь единственным фактором являются сшитые структуры, которые можно проанализировать по характеристикам передачи заряда. Другим важным элементом является материал электрода, который представляет собой медную фольгу с высокой гибкостью, которую можно наклеивать напрямую, что представляет собой простой и одноэтапный процесс изготовления. По сравнению с драгоценным металлом, серебром и золотом, цена на медную фольгу невысока, и ее можно использовать для изготовления экономичных продуктов. Поэтому медь широко применяется в качестве гибких цепей и электродов при разработке интеллектуальных устройств.

В настоящее время существует четыре универсальных ТЭНа с управляемым режимом работы, соответствующих различным структурам и движениям электродов. Благодаря простоте изготовления, обильному выбору материалов, возвратно-поступательным движениям в вертикальном направлении, CS TENG являются первыми глубоко изученными, которые обладают потенциальной способностью собирать некоторую биомеханическую энергию, такую ​​как взмахи руками, ходьба и бег. Здесь, чтобы исследовать принцип влияния поверхностных структур, были разработаны трибоэлектрические наногенераторы на основе трикотажного текстиля (KNG), соответствующие контакту и разделению между нейлоновой тканью и пленкой PTFE. На рис. 1а представлен процесс сборки трибоэлектрического наногенератора, состоящего из трикотажного полотна, мембраны из ПТФЭ и медной фольги. Универсальность гибкого трикотажного полотна с точки зрения его способности гофрироваться (рис. 1 bi), изгибаться (рис. 1 bii), драпироваться (рис. 1biii) и складываться (рис. 1biv) в любом направлении учитывается в различных масштабах. изображенный на рис. 1b. KNG могут быть спроектированы в зависимости от положения приложения и эстетики одежды. Разнообразие трикотажных структур было связано с различным внешним видом поверхности, а затем эти фотографии текстильной поверхности были показаны на рис. 1c.

Схема заготовки, характеристика КНГ, и структура вязки. а Процесс изготовления КНГ. б Изображения КНГ при различной деформации. i, гофрированный; II, изогнутый; iii, драпированные; iv, в сложенном виде. c Все изготовленные трикотажные конструкции от №1 до 10

Механизм работы KNG просто представлен на рис. 2а. Для измерения переносимого заряда максимальное расстояние и частота движений линейного двигателя устанавливаются равными 10 см и 0,3 Гц для имитации движений рук, соответственно. Что касается обычного контроля, то напряжение холостого хода (Voc), ток короткого замыкания (Isc) и переносимый заряд (Qsc) измеряются с помощью механического линейного двигателя. В исходном состоянии (рис. 2 ai) нейлоновый текстиль производил положительные заряды, а пленка ПТФЭ заряжалась отрицательными зарядами из-за электростатической индукции и сохранения зарядов. При нажатии на устройство (рис. 2 aii) уменьшение зазора между обеими контактными поверхностями приведет к накоплению положительного заряда в электроде, наклеенном на ПТФЭ. Электроны текут из внешней цепи для уравновешивания разности потенциалов. Стоит отметить, что эквивалентное количество электронов может поддерживаться на поверхности контактной площадки, поскольку оба диэлектрических материала являются изоляторами (рис. 2 aiii). Когда ПТФЭ перемещается назад (рис. 2aiv), процесс меняется на противоположный, и снова достигается электрический баланс между нейлоновой тканью и ПТФЭ, отражающий нейтрализацию зарядов. Следовательно, электроны будут возвращаться обратно для разности электрических потенциалов. В этой ситуации KNG могут генерировать Isc и Voc, которые имеют характеристику периодического изменения, показанную на рис. 2b и c. На рис. 2b и c вставка представляет собой увеличенный график, который описывается за один цикл.

Электроэнергетический рабочий механизм и производительность КПГ. а Механизм работы КНГ с использованием нейлоновой ткани, контактирующей с элементом из ПТФЭ. б Голос KNG и увеличенное изображение за один цикл. c ИСК КНГ и увеличенное изображение одного цикла

Для изготовления выпуклых структур на текстильной поверхности используются два вида методов, включая проектирование структуры и формирование формы, как показано на рис. 3. Дизайн структуры зависит от разной пропорции стежков лицевой петли и наоборот. петельные швы. Всего образцы спроектированы в семи типах ребер, включая тип m * n ( m = n =1, 2, 3, 4) на рис. 3a и 2 * m ( m =1, 2, 3, 4), показанные на рис. 3б. Ребро имеет вид вертикального корда из-за уэльса лицевой петли, который имеет тенденцию перемещаться над и впереди уэльса обратной петли; тогда максимальная высота шнура может составлять 0,2 см. Ребро m * n ( m = n =1, 2, 3, 4) может быть уравновешен чередующимися петлями на лице с каждой стороны, поэтому после пошива он лежит ровно без завитков. И обе стороны ткани имеют такой же внешний вид, как показано на фиг. 3e. Однако из-за различных пропорций лицевых и обратных петель в структурах ребер 2 * м возникает различие поверхностей, как показано на рис. 3f. Кроме того, процесс растяжения ребристой ткани делится на два этапа, включая взаимное зацепление перевернутых петель с обеих сторон до тех пор, пока они не будут растянуты, чтобы обнажить перемычки обратной петли между ними, а затем целые петли продолжают растягиваться в два раза шире эквивалента. одинарная ткань. Следовательно, по сравнению с простыми тканями, ребристый текстиль имеет потенциал для увеличения растягиваемой способности для выполнения взмахов и растягивающих движений (в поперечном направлении и в продольном направлении) во время рабочего режима с разделением контактов. Другой метод создания выпуклой структуры - это деформация формы, при которой воздушный слой формируется на поверхности n ( нет =4, 5, 6) текстиль, показанный на рис. 3c. Толщина площади поперечного сечения находится в пределах от 0,15 до 0,3 см. Характерной чертой воздушного слоя является выдающаяся дугообразная структура, которая может обеспечить некоторое пространство для ускорения отделения электронов при запуске движений. Выше всего упомянутого, трикотажные ткани разрабатываются с помощью компьютеризированной плоской машины, которая может обеспечивать точность места вязания, формировать всю одежду и идеально интегрировать интеллектуальные материалы в ткань. Такая номенклатура техники вязания нанесена на рис. 3г, что правильно отображает особенности конструкции.

Схематические характеристики и составные части трикотажных конструкций. а Характеристики ребра m * n. б Характеристики ребра 2 * м. c Характеристики некоторых игольчатых горизонтальных шнуров. г Номенклатура техники вязания. е Изображение лицевой и оборотной сторон в ребристой конструкции 1 * 1. е Изображение лицевой и оборотной сторон в ребристой структуре 2 * 1

Предыдущие работы [42] продемонстрировали эффективную площадь контакта лицевой стороны, которая была намного больше, чем тыльная сторона текстиля; В результате переходный заряд был вдвое выше, чем производительность обратной стороны. Это связано с тем, что длина игольной петли была больше, чем длина грузильной петли. Следовательно, для повышения производительности и создания только одного влиятельного фактора конструкции с контактным выступом состоят из боковых петель на лицевой стороне. Выходы KNG в зависимости от количества выпуклых единиц представлены на рис. 4. Была сформирована тенденция к уменьшению, когда площадь контакта всех экспериментальных тканей уменьшалась с увеличением количества выпуклых единиц. Кроме того, наиболее значимые электрические заряды расположены в последовательном порядке:ребро 1 * 1, ребро 2 * 1 и четыре игольчатых структурных типа (первая точка каждой линии) со значениями 91,66 нКл, 90,19 нКл и 69,64 нКл соответственно.

Производительность на выходе изменялась за счет количества выпуклых блоков

Затем исследуют вязаную структуру с различной морфологией поверхности с точки зрения разнообразия плотности стенок, количества лицевых сторон и структур. Все параметры десяти видов трикотажных тканей проверены и записаны в Таблице 2. Примечательно, что плотность слоя всегда постоянна, потому что внешний вид корда увеличился в вертикальном направлении при анализе образцов №№ 1–7. Итак, плотность ткани как главный фактор, который необходимо обсудить, относится к особенностям различных трикотажных структур. Очевидно, что у лицевых и обратных петель в №№ 1-4 пропорции одинаковы, около 50%. Эти ткани демонстрируют одинаковую структуру независимо от того, какая лицевая или изнаночная сторона основана на вязании двойным стежком. Средняя толщина выше по сравнению с номерами образцов. 5–7, который состоит из разного количества лицевых и резервных стежков. Текстура нет. 4 имеет самую большую повторяющуюся единицу, плотность которой в два раза больше, чем у нет. 1. Однако количество лицевых сторон на практичной ткани почти вдвое меньше, чем нет. 1. Это связано с тем, что большее количество грузилных петель растягивается друг с другом, так что может быть сформирован внешний вид колонны. При увеличении вязаного элемента увеличиваются диаметр столбика и толщина ткани, при этом уменьшается количество элементов лицевой стороны и эффективная площадь контакта при запуске движений. Что касается структуры ребер с различными пропорциями лицевой стороны и обратной петли, внешний вид явно демонстрирует характерные черты односторонней структуры с увеличением количества связанных повторяющихся единиц. Между тем плотность стенки нет. 7 такой же большой, как нет. 1 и нет. 5, но количество лицевых узлов петель имеет отличительные отличия из-за того, что количество вязанных узлов составляет шесть петель, что намного больше, чем их нет. 1 (2 петли) и № 5 (3 петли), поэтому выходная мощность ниже, чем у нет. 1 и нет. 5. В результате, ребристого трикотажа нет. 1 представляет наибольшее количество лицевых петель в №№. 1–10 во время контактирующих-разъединяющих движений.

С другой стороны, трикотажный текстиль фигурного типа был разработан за счет разного количества петель, которые собираются в единое полотно, образуя арочные конструкции. Поскольку длина шнура горизонтальна, плотность ткани в поперечном направлении приблизительно устойчива. Арочная конструкция обеспечивает возможность разделения заряда на поверхности, имеющей полое внутреннее пространство. Таким образом, повышена эффективность сбора израсходованной энергии механизма. Как правило, для повышения производительности изделия арочного типа изготавливают из гибких материалов с идеальной эластичностью и долговечностью, таких как кремниевые подложки, но их сложно вязать на промышленной вязальной машине для удовлетворения коммерческих требований. Когда дело доходит до арочной конструкции, основанной на трикотажном текстиле в предыдущих исследованиях [24, 41, 50], конструкцию необходимо сшить или проклеить лентой, что является сложным и трудоемким процессом. Мы представили ткань с трикотажной аркой, которая проходит через всю технику формовки без вторичного производства, что обеспечивает высокую эффективность производства. Среди горизонтальных шнуров высота 0,3 см показывает самый низкий выход заряда по сравнению с горизонтальными шнурами с четырьмя и пятью иглами с высотой 0,15 см и 0,2 см соответственно, на что может повлиять низкая жесткость трикотажных тканей в фиксируется большое расстояние между обоими концами. Наивысшая выпуклая форма с трудом удерживает арку под действием силы давления и восстанавливается до первозданной формы, что приводит к нейтрализации некоторых зарядов. В результате уменьшение высоты арки может повысить устойчивость выпуклых конструкций. Однако такие шнуры фигурного типа уменьшают эффективную площадь контакта, которая представляет собой линейный тип с меньшими площадями, чем реальный контакт, что снижает производительность электрического вывода.

Петли имеют неправильную структуру, поэтому оценка их геометрических свойств, таких как размер стежка и форма поверхности, является сложной задачей. Для выявления неравномерности петель нельзя использовать традиционную оценку, которая является интегральным параметром. Теория фракталов предлагается для анализа категории неправильности в нашем окружении и природе. Предлагаемая концепция фрактальной размерности - отличный инструмент для демонстрации сложной морфологии, которая отражает правила, сложность и шероховатость текстильной поверхности. Поскольку не все фракталы полностью самоподобны, математический расчет используется для аргументации геометрической конфигурации. Чтобы понять поверхность вязанной конструкции, некоторые изображения визуализируют информацию, представленную на рис. 5d. Как показано на рис. 5d, характеристику выпуклой поверхности можно интуитивно наблюдать с разных точек зрения, где есть свидетельства, подтверждающие выпуклую морфологию.

Примерочная кривая и некоторые наглядные образы для вязания текстиля. а Ребристая структура m * n. б Ребристая конструкция 2 * м. c Некоторая игольчатая горизонтальная структура шнура. г Визуальные образы с разных сторон

The uneven surface has been formed with the knit structure designed caused by the yarn morphology and structure design. 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. а The Isc of m*n rib. б the Voc of the m*n rib. c The Isc of 2*m rib. г The Voc of the 2*m rib. е The Isc of n type. е The Voc of n type. г The D_f -transfer charge curve. ч 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:

где 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 и 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. Но нет. 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.

Заключение

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.

Доступность данных и материалов

Все данные, полученные или проанализированные в ходе этого исследования, включены в эту опубликованную статью.

Сокращения

E-skins:

Electronic skins

Интернет вещей:

Internet of Things

PDMS:

Полидиметилсилоксан

TENG:

Трибоэлектрический наногенератор

ПТФЭ:

Политетрафторэтилен

D_f :

Fractal dimension

CS:

Contact-separate working mode

KNG:

The triboelectric nanogenerator based on knitted textile

Voc:

The open-circuit voltage

Isc:

Ток короткого замыкания

Qsc:

Transfer charge

F value:

The difference between the fractal dimension and the value of one