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陜科大王學川/劉新華/岳歐陽等 Nano Energy:基于按需調整負泊松比結構的高效摩擦電納米發電機在可穿戴設備中的應用
2025-03-01  來源:高分子科技

  近日,陜西科技大學生物質與功能材料研究所王學川、劉新華、岳歐陽等人報道了一種基于按需調整的負泊松比結構的高效摩擦電納米發電機。本研究制備的基于負泊松比超材料的摩擦納米發電機(Auxetic-TENG),成功克服了復雜彎曲操作中功率密度低與形變失配的集成問題,相比常用正泊松比材料可更高效吸收并轉化機械能為電能,具有更優異的發電效率和檢測靈敏度。相關研究成果發表于國際能源領域頂級期刊Nano Energy上。


1 Auxetic-TENG的結構及工作機理示意圖


  摩擦納米發電機(TENG)的信號強度和功率密度提升一直是廣泛研究的熱點,主要集中在極性/介電材料的選擇和復雜結構設計方面。在結構設計方面,酸堿蝕刻、光刻、激光打印等技術代表了該領域的關鍵方向。然而,這些技術的高昂制備成本限制了TENG的廣泛應用。負泊松比超材料是一類特殊的材料,其泊松比小于零,在外力作用下展現出與傳統材料不同的力學特性。具體來說,在單軸壓縮下,這些材料會發生橫向收縮,而在單軸拉伸時則會橫向膨脹。這種被稱為拉脹效應的反直覺變形行為賦予了它們卓越的力學性能,并為負泊松比材料在TENG中的應用提供了潛在的基礎。


  在本研究中,采用具有負泊松比特性的硅膠彈性體作為基礎框架,通過N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷改性的膠原聚集體作為正極摩擦材料,并引入高介電常數的鈦酸鋇納米顆粒增強其介電性能。負極摩擦層則選用柔性優異的聚二甲基硅氧烷,通過特殊設計的微結構同步提升表面粗糙度與接觸面積。這種拉脹結構與全優化摩擦材料的協同作用,使Auxetic-TENG在彎曲運動中實現機械能的高效捕獲。負泊松比結構在單軸拉伸時產生的橫向收縮效應,可將接觸面積提升40%以上,同時結合BTO納米顆粒介電增強效應和PDMS的彈性形變特性,使開路電壓達到47 V,較傳統TENG提升2.2倍,功率密度達145.3 mW·m?2。獨特的微凸結構設計通過增加表面電荷捕獲位點,使電荷密度提升至802 μC·m?2,顯著提升機電轉換效率。該技術突破不僅解決了傳統TENG在復雜彎曲工況下的形變失配問題,其拉脹效應誘導的橫向位移機制更賦予器件優異的關節運動適配性在醫療監測領域,通過離子極化調控界面電荷轉移,可實現對關節彎曲角度的高靈敏度檢測,為可穿戴設備的自供電傳感與實時健康監測提供了創新解決方案。


Auxetic-TENG的應用場景及接觸分離下的輸出性能


Auxetic-TENG彎曲形變下的輸出性能


  相關成果以Efficient Triboelectric Nanogenerators with on-demand Auxetic Structure achieving Deformation Matching in Wearable Devices為題發表在Nano EnergyDOI: 10.1016/j.nanoen.2025.110648)上。感謝國家自然科學基金22308209、220708167和 22108166)、陜西省重點研發計劃 (2022GY-272)、陜西省高校科學技術協會青年人才支持計劃項目(20200424對本工作的大力支持!


  原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110648

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