Повышение переноса заряда в трибоэлектрических наногенераторах с вязаной структурой через анализ поверхностной морфологии

Аннотация

Сбор отходов биомеханической энергии предоставляет перспективный подход к улучшению питания носимых устройств для продления срока службы. Поверхностная морфология — значимый фактор для усиления выходной характеристики трибоэлектрического наногенератора; однако существует ограничение для оценки морфологии поверхности и ее влияния на генерацию энергии. Для оценки взаимосвязи между поверхностной морфологией и переносом заряда предложена математическая теория — теория фрактальной геометрии — для анализа характеристик неправильной поверхностной морфологии. Эта теория дала хорошее понимание контактной площади и шероховатости поверхности. Мы спроектировали три категории вязаных структур с шнуровым внешним видом с использованием плоского вязального станка и проанализировали их поверхностные характеристики. Геометрические структуры могут быть продемонстрированы через фрактальную размерность для оценки генерируемой выходной характеристики при контакте и разделении. Настоящее исследование показывает, что с увеличением числа вязаных единиц трибоэлектрическая характеристика генерации энергии продолжает снижаться из-за уменьшения доступной контактной площади. После расчета фрактальной размерности различных вязаных структур, m*n ребратые структуры показывают высокий перенос заряда, когда фрактальная размерность близка к единице, особенно фрактальная размерность 1*1 ребратой структуры может достигать 0,99. Фрактальная теория может быть дальней использована как подход для оценки влияния на выходную характеристику неправильной поверхностной морфологии, не связанной с единообразным выпуклым единичным отвлечением. Результат этого исследования также продемонстрировал выполнимость вязаного трибоэлектрического наногенератора в сборе биомеханической энергии для питания переносной электроники, интегрированной в одежду.

Введение

Продвинутые интеллектуальные технологии охватили глобальный мир и привели к появлению новых гибких умных носимых устройств, таких как датчики отслеживания здоровья [1, 2], устройства распознавания жестов [3–6], электронные кожи (E-skins) [7, 8], гибкие цепи [9, 10] и оптоволоконные носимые устройства [11, 12]. Однако с недостатками большой массы, низкой эффективности преобразования, серьезного загрязнения окружающей среды и короткого срока службы батареи, питание является огромным ограничением для развития электроники. С момента успешного развития первого трибоэлектрического наногенератора (ТЕНГ) в 2012 г. [13], основанного на характеристиках малого размера, легкого веса, различных материалов, безопасности, экологических достоинств [14] и высокой эффективности, он предоставил перспективную и эффективную стратегию для решения вышеуказанных проблем. Вместе с быстрым появлением ТЕНГ, работающих через сопряженный эффект контактного электричества и электростатической индукции [15], он был подтвержден как один желательный подход к получению механической энергии [16, 17] из нашего окружения, особенно путем сбора низкочастотных и нерегулярных движений (включая ветер [18, 19], капли воды и человеческое движение, биомеханическую энергию и т.д. [20–22]), реализации передачи данных [23–25] и питания в Интернете вещей (IoT) [26]. Для носимых устройств текстиль считается лучшим субстратом благодаря его структурному удержанию и устойчивости к усталости, мягкости, интеграции и высокой пористости. На сегодняшний день интеграция трибоэлектрического наногенератора и традиционного текстиля [27–33] является одним из перспективных кандидатов для человеко-ориентированных носимых устройств, таких как самопитание гибкие датчики [34], носимые энергогенераторы и текстильные системы накопления энергии. Это также наделяет традиционные текстили функциональностью, интеллектом и высокой добавленной стоимостью. Эти электронные устройства на основе текстиля удовлетворяют требованиям легкого веса, недорогой стоимости, комфорта, вдыхаемости, переносимости, долговечности и стираемости для повседневного использования. Кроме того, легко изготавливать текстиль с переменными цветами и обильными узорами, что представляет привлекательность для интеллектуальных текстилей. Особенно вязаные текстили с малой деформацией и большой деформацией чувствительны к генерации сигнала, поэтому идеальны для использования в гибких датчиках, преодолении сопротивления движению и снижении потерь энергии [35]. Кроме того, трение и деформации вязаного текстиля — распространенные явления, которые являются захватывающим мнением для построения трибоэлектрического наногенератора.

Как мы все знаем, модификация поверхностной морфологии — значительный подход к усилению выходной характеристики ТЕНГ [36–39]. Большинство направлены на увеличение доступной контактной площади и шероховатости поверхности. Есть два основных метода изменения поверхностной морфологии: травление поверхности и репликация поверхности. Однако использование высокодорогих, ограниченных по площади обработки и многоступенчатых технологий производства для генерации поверхностного внешнего вида затруднено для промышленного производства. Здесь Ли и соавт. [40] исследовали пленку полидиметилсилоксана (PDMS) с поверхностными микроструктурами, снятой с наждачной бумаги, что было одноступенчатым и дешевым методом приготовления разной шероховатости поверхности. Экспериментальные результаты показали максимальную выходную мощность 46,52 В при классе шероховатости 3000, обнаруженном 3D оптическим профилом поверхности. Кроме того, слишком много микроструктур может серьезно уменьшить эффективную контактную поверхность и привести к снижению способности энергетической характеристики. Размер ТЕНГ был ограничен площадью наждачной бумаги, что привело к увеличению стоимости изготовления. В наши дни текстильные структуры получают все больше внимания из-за образования обильных поверхностных внешних видов [38] без сложного процесса производства и высокой стоимости. Для полного понимания текстильных поверхностных внешних видов необходимо учитывать некоторые факторы в терминах уникальных компонентов и структурных особенностей, включая внешний вид нити, физические параметры текстиля и вязаные структуры. Затем Квак и соавт. [41] исследовали контактную площадь трех структур (включая простые, двойные и ребратые тканевые структуры) при растяжении и обсудили вклад для усиления потенциала. Стоит отметить, что ребратая ткань может быть напряжена до 30%, увеличивая контактную площадь до 180 см². В зависимости от существующего среднего региона ребратая ткань может быть сильно растянута, что может дать более высокий потенциал для увеличения контактной площади. Как первичный элемент текстильной структуры, характеристика петель анализировалась, что также был значимым фактором для влияния на поверхностный внешний вид. Хуан и соавт. [42] сосредоточились на влиянии основных параметров текстиля (включая ножки петель, зацепы петель и плотность текстиля) для подтверждения разницы в выходной характеристике. Ткань с большой плотностью стежков на основе трибоэлектрического наногенератора могла генерировать более высокую электрическую энергию с максимальной пиковой плотностью мощности 203 мВт·м⁻² при 80 МОм, что делает большую эффективную контактную площадь. Результат показал, что поверхностные морфологии различных тканевых структур влияли на электрическую выходную способность. Для сбора большего количества энергии для продления срока службы, 3D двухлицевые интерлок-вязаные текстили [43] вязали двойноигольным плоским станком, которые проявляли одинаковую выходную характеристику на лицевой и изнаночной стороне. Кроме того, ТЕНГ на основе трехмерной текстильной структуры могли генерировать высокую плотность мощности 3,4 мВт·м⁻² при внешнем сопротивлении 200 МОм, демонстрируя, что способность сбора энергии была улучшена. Однако вышеупомянутые поверхностные внешние виды мало описывают геометрическую форму поверхности, и факторы о генерируемом переносе заряда все еще страдают от отсутствия конкретных объяснений. Нет универсального способа, который может охарактеризовать поверхностный внешний вид, что требует найти оценку неправильной морфологии. Поэтому это ограничение для полного понимания переноса заряда на трибоэлектрическом наногенераторе в настоящее время.

Цель поверхностного анализа — охарактеризовать геометрические структуры текстиля, которые могут быть протестированы двумя подходами: контактным методом и оптическим методом [44]. Контактный метод может хорошо описать поверхностную морфологию, но требуемое время намного дольше, и игла оставляет след на поверхности. По сравнению с контактным методом, с преимуществами короткого времени измерения, низкого воздействия на поверхность и легкого обнаружения, оптический метод использовался для обнаружения шероховатости поверхности. Однако ложные зазоры и высокий уровень шума могут снижать суждение о реальной поверхностной морфологии.

Математический инструмент — теоретический анализ, который может использоваться для количественной оценки степени шероховатости поверхности. Это новый подход к оценке неправильной поверхности. С такой неровной поверхностью традиционный математический метод евклидовой геометрии не может быть использован, потому что действительно трудно судить количественную геометрическую размерность и точность измерения, такую как длина сегмента и вес объекта. Однако фрактальная геометрия, подход, названный Мандельбротом для описания неправильных структур, был предоставлен для решения проблемы и определения неправильности в природе [45], таких как физические свойства пен [46] и оценка гладкости ткани [47]. Почти все шероховатые поверхности могут быть разделены на некоторые самоподобные части, которые могут быть изображены нецелочисленной размерностью, названной фрактальной размерностью (D_f). Основываясь на различных геометрических поверхностях, значение D_f должно быть рассмотрено и проанализировано, что влияет на шероховатость и эффективную контактную площадь в проектировании трибоэлектрического наногенератора, оптимизируя способность преобразования человеческих движений в электричество.

В этой работе мы представляем различные поверхностные морфологии на основе вязаных структур, которые принимаются как один из диэлектрических слоев. Вязаный текстильный ТЕНГ был изготовлен с использованием коммерческих нитей и промышленного вязального станка, что позволяет реализовать крупномасштабное производство и практические применения. Для имитации движения хлопания рукой ТЕНГ спроектированы в режиме контакт-разделение (CS), который является самым простым рабочим механизмом. Вязаные структуры формируются двумя видами подхода, включая структурную и основанную на форме выпукло-вогнутую поверхностную морфологию. Благодаря разнообразию вязаных структур, результирующие поверхностные внешние виды могут быть систематически исследованы и проанализированы для подтверждения взаимосвязи между поверхностной морфологией и вязаными структурами. D_f каждой ткани может быть рассчитан через соответствующий фрактальный принцип, оценивая шероховатость тканевой поверхности. Максимальный перенос заряда поверхностного внешнего вида в 1*1 ребратой структуре может достигать 91,66 нКл движением хлопания и отпускания, что дает фрактальную размерность 0,99. И интересное явление проявляется: со значением D_f, приближающимся к единице, перенос заряда может быть выше. Наконец, использование фрактальной теории и вязаных структур может обеспечить эффективный метод для количественной оценки переноса заряда и ожидается, что будет полезно для проектирования вязаных ТЕНГ с большей эффективностью, промышленным производством и недорогой стоимостью.

Материалы и методы

Материалы

Нейлоновые нити (dtex 600, AnTong KeJia Textile fiber products Co., Ltd.), которые обычно доступны, вязали в два вида ребратых текстилей и выпуклые ткани с гейджем 15 (иголка/дюйм) на целогабаритном станке (SHIMA Seiki Co., Japan). Пленка политетрафлюороэтилена (PTFE) толщиной 0,05 см (Chenqi Electrical Technique Co. Ltd.) используется. Изогнутый и скрученный электрод — коммерческая медная фольга (Shenzhen Biaozhitape Co. Ltd) толщиной 0,06 мм, наклеенная на обратную сторону вязаного текстиля для переноса поляризованного заряда.

Изготовление вязаных тканей и вязаного текстильного трибоэлектрического наногенератора

Метод вязания по переднику как представительный метод вязания может легко наделить ткани высокой растяжимостью [48], низкой стоимостью и эстетической характеристикой. С преимуществами позиционного вязания, силовые текстили могут быть интегрированы в одежду без дополнительных швейных техник. Существует десять выпукло-вогнутых текстур, изображенных в Таблице 1. Для демонстрации взаимосвязи между поверхностной морфологией и переносом заряда, продольные и поперечные шнуры вязали на поверхности текстиля. Так десять разных текстур изображены в Таблице 1, где первые семь образцов демонстрируют продольный шнур на поверхности, а поверхностные внешние виды №8, №9 и №10 — поперечные выпуклости. Здесь структуры вязали компьютеризированным плоским вязальным станком, подходящим для высокоэффективного промышленного процесса, и текстили способны подгонять индивидуальный масштаб. Через собственную систему проектирования ткани могут быть быстро спроектированы и легко приготовлены, особенно для проектирования сложных узоров. Все ткани должны быть оставлены на 24 ч в стандартных атмосферных условиях для релаксации ткани до состояния стабильного размера, что направлено на снижение влияния релаксационного усадки и повышение точности тестирования. Затем кусок проводящей ленты такого же размера наклеивали на обратную сторону текстилей. На основе высокополяризуемых нанопартикул, пленка из PTFE была принята как другой диэлектрический материал. Пленка все еще приклеена к куску медной фольги, перенося миграцию электронов. Для CS, проводящие провода были соединены с двумя моделями трения, которые движутся в вертикальном направлении. Тогда CS-базированные текстильные ТЕНГ были изготовлены.

Фрактальные характеристики вязаных тканей

Не все природные объекты имеют неправильную регулярную форму и границу, включая береговую линию, снежинку, облако и лист. Поэтому фрактальная размерность используется для описания неровной морфологии, генерируемой разными методами, что является эффективным методом, идентифицированным во многих исследовательских работах. Существует несколько формулировок, определенных как фрактальная размерность, включая Хаусдорфову размерность, размерность подсчета коробок и подобную размерность и т.д., что является решающим параметром для количественной оценки стиля поверхности. Типичной фрактальной размерностью была кривая Кона, как снежинка, впервые представленная в 1904 г. Область, ограниченная тремя самоподобиями с бесконечностью, ограничена, называемая кривыми Кона, фрактальная размерность которых 1,2618. Обычно фрактуальная размерность может быть рассчитана масштабом a, который указывает длину, ширину и площадь. Следующая формула может представить взаимосвязь: F(a) ≈ a^{D_f} (1-1), где D_f — фрактальная размерность, проявляющаяся в наклоне лог-лог графика.

Неровная поверхностная фрактальная размерность, D_f, может быть определена подходом Хаусдорфовой размерности, основанным на анализе относительного размера подобного единицы. Как фактор образования шнуровой поверхности, выпуклый район, включающий несколько микровыпуклых структурных единиц с разными краями и числом, может быть выражен как: M = N^{D_f} (1-2), где M — число выпуклой единицы, N — повторяющееся множественное самоподобных единиц, это длина выпуклых единиц к длине целых образцов, и D_f — фрактальная размерность возвышенных структур. Уравнение — модель, которую можно использовать для предсказания поверхностной морфологии, так: D_f = log M / log N (1-3).

Характеризация

Цифровой микроскоп Dino-lite edge (AnMo electronic corporation) использовался для измерения плотности вязаных тканей из фотографий. Электрические сигналы вязаного тканевого трибоэлектрического наногенератора в режиме контакта и разделения управлялись самосборным линейным мотором и электрометром (Keithley 6514 system) на основе системы LabVIEW.

Результаты и обсуждение

Для подтверждения материалов трения, трибоэлектрический порядок [49] является значимой ссылкой, которая количественно определяет трибоэлектрическую поляризацию различных общих материалов. Трибоэлектрический порядок представляет, что одна сторона показывает способность набирать заряд, а другая сторона обладает высокой способностью терять электроны, что было определено как фундаментальная материаловая характеристика. Для получения выдающейся выходной характеристики пара материалов выбирается, которая должна быть атрибутирована трибоэлектрическому ряду с значительным расстоянием, увеличивая разность потенциалов. Здесь один — коммерческий, дешевый, отличная абразивная устойчивость и высокое склонность к положительному заряду (нейлон), а другой показывает склонность к отрицательному заряду (PTFE). В этой работе мы выбрали PTFE мембрану без каких-либо обработок на поверхности. Здесь единственный фактор — вязаные структуры, которые могут быть проанализированы по характеристике переноса заряда. Другой критический элемент — материал электрода, медная фольга с высокой гибкостью, которая может быть наклеена напрямую, что является простым и одноступенчатым процессом производства. По сравнению с драгоценными металлами серебра и золота, цена медной фольги недорога и может использоваться для изготовления экономичных продуктов. Поэтому медь широко применялась как гибкие цепи и электроды в проектировании умных устройств.

В настоящее время существует четыре универсальных рабочих режима ТЕНГ, соответствующих различным структурам электродов и движениям. С преимуществами легкого изготовления, обильного выбора материалов, возвратно-поступательных движений в вертикальном направлении, CS ТЕНГ глубоко исследуются первыми, имеющими потенциальную способность собирать некоторую биомеханическую энергию, такую как хлопание руками, ходьба и бег. Здесь, для исследования принципа влияния поверхностных структур, трибоэлектрические наногенераторы на основе вязаного текстиля (KNG) спроектированы, соответствующие контакту и разделению между нейлоновой тканью и PTFE пленкой. Процесс сборки трибоэлектрического наногенератора представлен на рис. 1а, состоящий из вязаных тканей, PTFE мембраны и медной фольги. Универсальность гибкой вязаной ткани в терминах ее способности к кренованию (рис. 1 bi), изгибу (рис. 1 bii), драпировке (рис. 1biii) и складыванию (рис. 1biv) в любом направлении подготавливается в различных масштабах, изображенных на рис. 1b. KNG могут быть спроектированы на основе требований позиции применения и эстетики одежды. Разнообразие вязаных структур было вязано с разными поверхностными внешними видами, и затем эти фотографии текстильной поверхности показаны на рис. 1c.

Механизм работы KNG просто представлен на рис. 2а. Для измерения переноса заряда максимальное расстояние и частота движений линейного мотора установлены как 10 см и 0,3 Гц для имитации движений хлопания руками соответственно. Для обычного мониторинга измеряются напряжение в разомкнутом цепи (Voc), ток в коротком замыкании (Isc) и перенос заряда (Qsc) механическим линейным мотором. В исходном состоянии (рис. 2 ai) нейлоновая ткань производила положительные заряды, а PTFE пленка была заряжена отрицательными зарядами из-за электростатической индукции и сохранения зарядов. Когда прибор давили (рис. 2 aii), уменьшение зазора между обеими контактными поверхностями приведет к накоплению положительного заряда в электроде, наклеенном на PTFE. Электроны текут из внешней цепи для балансировки разности потенциалов. Стоит заметить, что эквивалентное количество электронов может сохраняться на поверхности контактной площади, потому что оба диэлектрических материала являются изоляторами (рис. 2 aiii). Когда PTFE движется обратно (рис. 2aiv), процесс обращается и электричество снова обретает баланс между нейлоновой тканью и PTFE, отражая нейтрализацию зарядов. Следовательно, электроны текут обратно для разностей электрических потенциалов. В этой ситуации KNG могут генерировать Isc и Voc, которые имеют характеристику периодического изменения, показанного на рис. 2 b и c. На рис. 2b и c вставка — увеличенный график, описанный в одном цикле.

Для изготовления выпуклых структур на поверхности текстиля используются два вида методов, включая структурный дизайн и формирование формы, как показано на рис. 3. Структурный дизайн зависит от разных пропорций лицевых петель стежков и обратных петель стежков. Общие образцы спроектированы в семь ребратых типов, включая тип m*n (m = n = 1, 2, 3, 4) на рис. 3а и 2*m (m = 1, 2, 3, 4) показан на рис. 3b. Ребра имеет вертикальный шнуровый внешний вид из-за лицевых петель валей, которые склоняются двигаться поверх и впереди обратных петель валей; тогда максимальная высота шнура может достигать 0,2 см. Ребра m*n (m = n = 1, 2, 3, 4) могут быть сбалансированы чередующимися валями лицевых петель на каждой стороне, поэтому они лежат плоско без скручивания после кроя. И обе стороны текстиля имеют одинаковый внешний вид, как показано на рис. 3e. Однако разные пропорции лицевых и обратных петель в 2*m ребратых структурах дают отличительную поверхность, как показано на рис. 3f. Кроме того, процесс растяжения ребратой ткани делится на две стадии, включая переплетение обратных валей на обеих сторонах до растяжения для раскрытия обратных петель валей между ними и затем все петли продолжают растягиваться более чем в два раза шире, чем эквивалентная одиночная ткань. Поэтому по сравнению с простыми тканями, ребратые текстили имеют потенциал увеличить растяжимую способность для сбора движений хлопания и растяжения (поперечное и продольное направление) в режиме контакт-разделение. Другой метод для установки возвышенной структуры — деформация формы, где воздушный слой формируется на поверхности n (n = 4, 5, 6) текстиля, иллюстрированной на рис. 3c. Толщина поперечного сечения в диапазоне 0,15–0,3 см. Характеристика воздушного слоя — выдающаяся арковидная структура, которая может предоставить некоторое пространство для ускорения разделения заряда при запуске движений. Вышеупомянутое, вязаные текстили спроектированы через компьютеризированный плоский станок, который может реализовать точность вязального расположения, формируя целое изделие и идеально интегрируя умные материалы в ткань. Такая номенклатура вязальной техники была отмечена на рис. 3d, изображающей особенности структуры правильно.

Предыдущие работы [42] продемонстрировали, что эффективная контактная площадь лицевой стороны была намного больше, чем изнаночной стороны текстиля; в результате перенос заряда был в два раза выше выходной характеристики изнаночной стороны. Это потому, что длина игольной петли была длиннее, чем петля зацепа. Поэтому для усиления выходной характеристики и создания только одного влиятельного фактора, контактные возвышенные структуры состоят из лицевых петель. Выходы KNG в зависимости от числа выпуклых единиц построены на рис. 4. Убывающая тенденция, где контактная площадь всех экспериментированных тканей уменьшалась с числом возвышенной единицы, была сформирована. Также более значительные электрические заряды находятся в последовательном порядке 1*1 ребра, 2*1 ребра и четырех игольных формо-типовых структур (первая точка каждой линии) со значениями 91,66 нКл, 90,19 нКл и 69,64 нКл соответственно.

Затем вязаные структуры с разной поверхностной морфологией в аспектах разнообразия валейной плотности, числа лицевых единиц и структур исследуются. Все параметры десяти видов вязаных текстилей протестированы и записаны в Таблице 2. Заметно, что плотность рядов всегда постоянна, потому что шнуровый внешний вид вырос вдоль вертикального направления при анализе образцов №1–7. Так валейная плотность как главный фактор, который нужно обсудить, относится к особенностям разных вязаных структур. Очевидно, что лицевая петля и обратная петля имеют одинаковую пропорцию в №1-4, около 50%. Эти текстили показывают одинаковые структуры независимо от того, что является лицевой или изнаночной стороной на основе двойного стежка вязания. Средняя толщина показывает более высокую по сравнению с образцами №5–7, состоящими из разного числа лицевых стежков и резервных стежков. Текстура №4 имеет наибольший повторяющийся единицу, ее валейная плотность в два раза больше, чем №1. Однако число лицевых единиц на практической ткани почти в два раза меньше, чем №1. Это потому, что больше зацепных петель растягиваются друг с другом, так что колонный внешний вид может быть сформирован. С увеличением вязаной единицы диаметр колонны и толщина тканей увеличиваются, здесь уменьшая число лицевых единиц и эффективную контактную площадь при запуске движений. В терминах ребратой структуры с разными пропорциями лицевых и обратных петель, внешний вид проявляет характеристику односторонней структуры очевидно, с увеличением вязаных повторяющихся единиц. Тем временем валейная плотность №7 такая же большая, как №1 и №5, но число лицевых петель имеет четкие различия из-за числа вязаных единиц — шесть петель, что намного больше, чем №1 (2 петли) и №5 (3 петли), поэтому выходная характеристика ниже, чем у №1 и №5. В результате ребратая вязаная ткань №1 представляет наибольшее число лицевых петель в №1–10 во время движений контакта-разделения.

С другой стороны, формо-типовое вязаное текстиль спроектировано через разное число петель, собираемых в целую ткань, формируя арковидные структуры. Из-за направления длины шнура горизонтально, валейная плотность ткани показывает приблизительную стабильность в поперечном направлении. Арковидная структура предоставляет подход для разделения заряда на поверхности, имеющей полую внутреннюю полость. Таким образом, эффективность сбора отходов механической энергии улучшена. Обычно для усиления выходной характеристики арковидный тип делается из гибких материалов с идеальной эластичностью и долговечностью, такими как силиконовые субстраты, но трудно вязать на промышленном вязальном станке для выполнения коммерческих требований. Когда речь идет о том, что арковидная структура основана на вязаном текстиле в предыдущих исследованиях [24, 41, 50], строительство должно быть сшито или закреплено лентой, что является сложным и трудоемким процессом. Мы представили вязаную арковидную ткань, приготовленную через технику полного формирования без второго производства, что наделяет высокой эффективностью производства. Среди горизонтальных шнуровых структур, высота 0,3 см показывает наименьший заряд выход по сравнению с четырех игольной и пяти игольной горизонтальной шнуровой структурой с высотой 0,15 см и 0,2 см соответственно, что может влиять на низкую жесткость вязаных текстилей на большом расстоянии между обоими фиксированными концами. Наивысшая выпуклая форма трудно удерживать арку под давлением силы и восстанавливать в первоначальную форму, что приводит к тому, что некоторые заряды нейтрализуются. В результате уменьшение высоты арки может повысить толерантность выпуклых структур. Однако такие формо-типовые шнуры уменьшают эффективную контактную площадь, которая является линейного типа, имеющего мало площадей, чем реальный контакт, снижая характеристику электрического выхода.

Петли имеют неправильные структуры, поэтому оценка их геометрических свойств, таких как размер стежка и форма поверхности, является сложной. Для идентификации неправильности петель, традиционная оценка, которая является целочисленной размерностью, не может быть использована. Фрактальная теория предложена для анализа категории неправильности в нашем окружении и природе. Предложенная концепция фрактальной размерности — отличный инструмент для демонстрации сложной морфологии, представляющей правила, сложность и шероховатость текстильной поверхности. Поскольку все фракталы не являются полностью самоподобными, математический расчет используется для аргументации геометрической конфигурации. Для понимания поверхности вязаной структуры некоторые изображения визуализируют информацию, переносимую на рис. 5d. Как показано на рис. 5d, характеристика выпуклой поверхности может быть интуитивно наблюдаема с разных перспектив, где доказательства для подтверждения возвышенной морфологии.

Неровная поверхность была сформирована с вязаной структурой, спроектированной из-за морфологии нити и структурного дизайна. Фрактальная геометрия — эффективный расчет для оценки текстильной поверхности и понимания характеристики вязаных структур и способности трибоэлектрической генерации заряда. Фактически, с увеличением возвышенной единицы можно улучшить неровное вязаное текстиль благодаря модификации поверхностной формы. Хотя все вязаные текстили владеют выпуклыми структурами в продольном и поперечном направлении, степень подобия все еще не подтверждена, что является значительным референсным значением для того, успешно ли использовать фрактальную размерность или нет. Для оценки выполнимости фрактальной размерности все вязаные ткани рассчитывают через измерение ширины выпуклой единицы, размера петель в длину и ширину, когда текстили остаются в стабильном размере. Рис. 5 а, b и c показывают кривую аппроксимации фрактальной размерности тканей типов №1–10, и наклон линии означает фрактальную размерность. Существование взаимосвязи найдено в выпуклых структурах десяти разных типов вязаных текстилей, что подтверждает фрактальную характеристику десяти вязаных тканей. Следовательно, фрактальная теория, примененная в анализе разнообразия вязаных структур, выполнима.

Рис. 6a–f иллюстрирует генерируемые Isc и Voc на основе практических применений контактно-разделительных KNG, основанных на типах структуры и типах формы. Есть тенденция к уменьшению с увеличением вязаной единицы об Isc и Voc, как показано на рис. 6a–f. Это потому, что Isc меняется с эффективной контактной площадью, которая влияет на вязаные структуры.

При расчете D_f различных вязаных структур, исследуемая вязаная структура заявляет, что разные вязаные структуры имеют неравное значение, которое является нецелочисленной размерностью из-за разных компонентов выпуклого, как продемонстрировано на рис. 6g. Для рис. 6g это изображение кривой перенос заряда против фрактальной размерности разнообразных структур. Ребратая структура представляет желательную выходную характеристику и фрактальную размерность близкую к значению единицы. ТЕНГ на основе структурно-типовых вязаных текстилей имеют более высокий перенос заряда, чем формо-типовые, и значение D_f о m*n ребратом типе, 2*n ребратом типе и n типе в диапазоне 0–2, 0–1 и 1–2 соответственно. Обычно фрактальная размерность символизирует степень шероховатости поверхности, которая увеличивается с большим D_f. Однако формо-типовые ткани спроектированы в горизонтальном шнуре с малой линейной контактной площадью, поэтому шероховатость мало влияет на перенос заряда.

Для демонстрации влияния на D_f однородности выпуклой структуры в ребратых структурах, случайная длина стороны выбрана и рассчитана. Результат показывает следующее: ε(a×b) = M(l×b) (1-4), N = a/l (1-5), где a — длина всей ткани, b — ширина выпуклой единицы и равна ширине всей ткани, l — длина выпуклой единицы, M — число выпуклой единицы, N — повторяющееся множественное самоподобных единиц, это длина выпуклых единиц к длине целых образцов, и ε — пропорция лицевой петли и обратной петли, означающая однородность выпуклого отвлечения.

Тогда расчет M и N может быть использован в формулировке (1-3), результат показывает, что полученный D_f не тот же, что D_f, рассчитанный на основе длины фактического измерения, как показано в Таблице 3. Независимо от того, как распределена возвышенная структура, значение D_f влияет на практическую длину и число шнуров.

Замечено, что фрактальная размерность 2*1 ребратой структуры близка к 1*1 ребратой достигает 0,99, и таким образом перенос заряда почти такой же, как показано на рис. 6g. Генерируемая электрическая выходная характеристика показывает наивысшее значение, когда D_f близко к значению единицы. Это дало одно предположение, может ли фрактальная размерность оценивать поверхностную морфологию и охарактеризовать выходную характеристику. Для исследования корреляции фрактала и переноса заряда, разница между фрактальной размерностью и значением единицы (названная F значением) проиллюстрирована на рис. 6h. Рабочие результаты показывают тенденцию, что уменьшенное F значение может повысить гораздо более высокий Voc, давая доказательство для потенциального применения фрактальной размерности. Однако F значение рассматривается как оценка структур шероховатости, которое нужно учитывать свойства первичной петли структуры. Тогда влияние на перенос заряда обсуждается комплексно. Образец №4 и №6 имеют похожее F значение, но массивное различие существует на обоих выходных характеристиках. Поверхностная морфология №4 показывает плоскую структуру из-за одинакового числа лицевых и обратных петель, поэтому перенос заряда низок. Но №6 имеет выдающуюся внешний вид из-за обратных петель поверх лицевых стежков и генерирует большой перенос заряда при контакте и разделении. Следовательно, выбор и дизайн вязаной структуры текстиля на основе F значения высоко улучшили генерируемый общий электрический заряд, что является незаменимым требованием для построения высокоэффективного гибкого самопитания устройства на основе вязаных текстилей.

Заключение

Мы продемонстрировали, что вязаное текстиль с высокой гибкостью и отличным переносом заряда может быть применено в гибких ТЕНГ для сбора неправильной и низкочастотной биомеханической энергии, которая обладает выдающейся выходной характеристикой. Для идентификации взаимосвязи между поверхностной морфологией и выходным свойством, фрактальная теория использована для количественной оценки поверхностной геометрии и оценки ее влияния на способность переноса заряда поверхностного внешнего вида. Разные вязаные структуры были изготовлены, которые могут анализировать их влияние на сбор энергии. С аспекта вязаной единицы, результат показывает, что максимальный выход 1*1 ребратой структуры может достигать 213 В с минимальной вязаной единицей. Кроме того, для дальнейшего понимания рабочего механизма и геометрии контактной площади, различные вязаные структуры были проиллюстрированы в фрактальной размерности, которая отличается от традиционной размерности. Через расчет разные вязаные структуры с идентичными вязаными единицами могут быть использованы для получения фрактальной размерности с теми же вязаными единицами. Генерируемый электрический выход может быть увеличен с фрактальной размерностью, близкой к значению единицы. Следовательно, разница между фрактальной размерностью и значением единицы может быть использована в оценке способности переноса заряда согласно неправильной поверхности. В ближайшем будущем ожидается, что оценка для генерируемой выходной способности на основе фрактальной теории в построении трибоэлектрического наногенератора, получение максимальной выходной характеристики для оптимизации гибкой самопитания системы для сбора отходов человеческих движений в нашей повседневной жизни будет исследована.

Доступность данных и материалов

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

Аббревиатуры

E-skins:

Электронные кожи

IoT:

Интернет вещей

PDMS:

Полидиметилсилоксан

TENG:

Трибоэлектрический наногенератор

PTFE:

Политетрафлюороэтилен

D_f:

Фрактальная размерность

CS:

Режим контакт-разделение

KNG:

Трибоэлектрический наногенератор на основе вязаного текстиля

Voc:

Напряжение в разомкнутом цепи

Isc:

Ток в коротком замыкании

Qsc:

Перенос заряда

F value:

Разница между фрактальной размерностью и значением единицы