具有磁预应力的滑模纳米发电机的机械摩擦电传感

研究背景

摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerators，TENGs）已被证明在物联网领域的能量收集和传感方面具有广阔的潜力，可用于低功耗电子设备的供电或构成自供电传感器。作为四种基本工作模式中最通用的一种之一，滑动式TENG（S-TENG）因其材料来源广泛、制造简单、成本低、结构独特便于封装等优点而引起了广泛关注。然而，滑动式TENG的主要问题是上下部分接触压力不足导致输出性能不高、灵敏度不理想等。基于滑动式TENG的输出特性理论，关于提高输出性能的研究已经被广泛报道。并且有文献报道了机械结构（如接触面积和薄膜厚度）和外部激励（如触发频率和位移距离）对不同模式下TENG的输出功率、匹配阻抗和能量转换效率有显著影响。然而，由于外力对电性能输出的模糊影响，很少有研究报道外力对滑动式TENG的机电耦合影响。

成果简介

近日，上海大学李忠杰副研究员课题组、上海大学彭艳教授、上海大学张泉副教授和重庆大学郭恒宇教授、胡成果教授团队合作，在国际著名期刊《Advanced Functional Materials》上发表题为“Mechano-triboelectric Transduction of Sliding-mode Nanogenerators with Magnetic Pre-stress”的研究论文。上海大学博士生章钦为该论文第一作者，上海大学李忠杰副研究员、张泉副教授和重庆大学郭恒宇教授为通讯作者。

图文导读

图1. 实验平台和工作原理。（a）实验平台和MS-TENG的示意图。（b）MS-TENG完整滑动过程的四种代表性状态。

图2. MS-TENG的受力分析和机电特性示意图（图2b-g的x轴标签“distance”表示图2a中运动部件B的滑动距离x）。（a）MS-TENG滑动过程中的力分析示意图（x是运动部件B的滑动距离）。不同柔性磁铁（b）M1、（c）M2和（d）M3下的MS-TENG在不同滑动距离下的理论磁力和磁预紧力系数。（e）在不同滑动距离下，具有不同剩余磁通密度的柔性磁铁（磁铁M1、M2和M3）的MS-TENG的实际测量磁力和理论计算磁力的比较。（f）当考虑摩擦力和静电力时，理论上MS-TENG的力-滑动距离关系。

图3. MS-TENG的原理图和等效电路模型：（a）原理图，（b）内部等效电路节点模型，以及（c）带负载电阻的等效电路模型。

图4. MS-TENG的理论电性能输出。（a）磁铁M1下的MS-TENG在2Hz频率下的一个完整循环期间的理论开路电压。（b）MS-TENG在不同频率不同磁力作用下的理论开路电压。（c）磁铁M1下的MS-TENG在不同频率下的理论阻抗匹配。插图详细显示了最佳阻抗匹配电阻值。（d）MS-TENG在不同频率不同磁力下的理论阻抗匹配。MS-TENG在各种负载电阻下的理论（e）功率-时间和（f）能量-时间关系。

图5. MS-TENG的实验开路电压及其与理论开路电压的比较。磁铁（a）M1、（b）M2和（c）M3下的MS-TENG在不同频率下的实验开路电压。（d）磁铁M1下的MS-TENG在2Hz频率下的完整循环期间的实验开路电压波形。（e）磁铁M1下的MS-TENG在2Hz频率下的正向阶段（从State 1到State 3）期间的实验开路电压波形。（f）MS-TENG的理论开路电压和实验开路电压的比较。

图6. MS-TENG的理论和实验输出功率性能以及阻抗匹配。不同磁铁（a）M1、（b）M2和（c）M3下的MS-TENG在不同频率下的实验阻抗匹配。（d）理论和实验最优负载电阻的比较。（e）理论和实验瞬时峰值功率的比较。误差棒，平均值±SD（标准偏差），样本量n=3。

图7. MS-TENG在不同负载电阻下的理论和实验结果的比较：（a）功率-时间关系和（b）能量-时间关系。（对于频率为2Hz的磁铁M1下的MS-TENG最佳阻抗匹配电阻值的理论计算结果为9.64MΩ，而实验结果为10MΩ。）

全文总结

这项工作提出了一种在滑动式TENG中外加柔性磁铁层的新策略（magnetically stresses TENG, MS-TENG），以从理论和实验角度研究磁预紧力引起的机电耦合效应。通过引入磁预紧力系数，从理论上研究了MS-TENG的机电特性。考虑磁预紧力、负载电阻和滑动频率对MS-TENG在低滑动速度下的影响，通过等效电路模型推导了MS-TENG的输出性能，包括开路电压、输出功率和能量。在此基础上，通过相应的实验研究了所制备的MS-TENG的输出性能与磁预紧力或负载电阻或滑动频率之间的关系，验证了理论结果。实验结果与理论计算结果吻合较好，有效地揭示了磁预紧力在MS-TENG上的作用原理，说明了磁预紧力在MS-TENG上的输出性能与滑动频率、负载阻抗等其他激励之间的关系。本工作旨在提供一个理论描述和实验验证外部预紧力对滑动式TENG性能增强的影响。

审核编辑：刘清