Análisis de la morfología de la superficie de un nanogenerador triboeléctrico basado en estructuras de punto para mejorar la carga de transferencia

Resumen

La recolección de energía biomecánica residual ha proporcionado un enfoque prometedor para mejorar el suplemento de energía de los dispositivos portátiles para prolongar la vida útil. La morfología de la superficie es un factor importante para mejorar el rendimiento de salida del nanogenerador triboeléctrico; sin embargo, existe una limitación para evaluar la morfología de la superficie y su impacto en la generación de energía. Para evaluar la relación entre la morfología superficial y la carga de transferencia, existe una teoría matemática que es la teoría de la geometría fractal que se ha propuesto para analizar la característica de la morfología superficial irregular. Esta teoría proporcionó una buena comprensión del área de contacto y la rugosidad de la superficie. Hemos diseñado tres categorías de estructuras de punto con apariencia de cordón utilizando una máquina de tejer plana y analizamos sus características de superficie. Mientras tanto, las estructuras geométricas se pueden demostrar a través de la dimensión fractal para evaluar el rendimiento de salida generado durante el contacto y la separación. La presente investigación muestra que, con el creciente número de unidades tejidas, el rendimiento de generación de energía triboeléctrica continuó reduciéndose debido a la disminución del área de contacto disponible. Después de calcular la dimensión fractal de diferentes estructuras de tejido, las estructuras de nervadura m * n muestran la alta carga de transferencia cuando la dimensión fractal está cerca del número uno, especialmente la dimensión fractal de la estructura de nervadura 1 * 1 que puede alcanzar 0,99. La teoría fractal se puede utilizar además como un enfoque para evaluar la influencia en el rendimiento de salida de la morfología de la superficie irregular, no relacionada con la unidad de distracción convexa uniforme. El resultado de esta investigación también demostró la viabilidad de un nanogenerador triboeléctrico de tejido en la captación de energía biomecánica para alimentar dispositivos electrónicos portátiles integrados en las prendas.

Introducción

Las técnicas de inteligencia avanzada se han extendido por el mundo global y han sacado a la luz algunos dispositivos portátiles inteligentes y novedosos, como los sensores de seguimiento de la salud [1, 2], los dispositivos de detección de gestos [3,4,5,6], las pieles electrónicas (pieles electrónicas ) [7, 8], circuitos flexibles [9, 10] y wearables de fibra óptica [11, 12]. Sin embargo, con las desventajas del peso de la masa, la baja eficiencia de conversión, la grave contaminación ambiental y la corta duración de la batería, el suplemento de energía es la enorme limitación para el desarrollo de la electrónica. Dado que el primer nanogenerador triboeléctrico (TENG) se desarrolló con éxito en 2012 [13], basado en las características de pequeña escala, ligereza, materiales diversos, seguridad, virtudes medioambientales [14] y alta eficiencia, ha proporcionado un rendimiento prometedor y eficaz. estrategia para abordar los estrechos anteriores. Junto con el rápido advenimiento de los TENG que funcionan a través de un efecto acoplado de electrificación de contacto e inducción electrostática [15], se ha conformado como un enfoque deseable para obtener energía mecánica [16, 17] de nuestro entorno, especialmente mediante la recolección de baja frecuencia e irregular movimientos (incluido el viento [18, 19], la gota de agua y el movimiento humano, la energía biomecánica, etc. [20,21,22]), la realización de transmisiones de datos [23,24,25] y el complemento de energía en la Internet de las cosas (IoT) [26]. Para los dispositivos portátiles, los textiles se consideran el mejor sustrato, debido a su retención estructural y resistencia a la fatiga, suavidad, integración y alta porosidad. Hasta la fecha, la integración de un nanogenerador triboeléctrico y un tejido tradicional [27,28,29,30,31,32,33] es uno de los candidatos prometedores para dispositivos portátiles orientados a los humanos, como los sensores flexibles autoalimentados [34]. , recolectores de energía portátiles y sistemas de almacenamiento de energía basados en textiles. También está dotado a los textiles convencionales de funcionalidad, inteligencia y un alto valor adicional. Estos dispositivos electrónicos basados en el textil que se satisfacen con el requisito de ser livianos, económicos, cómodos, transpirables, portátiles, duraderos y lavables para uso rutinario. Además, es fácil realizar textiles con colores variables y abundantes diseños de patrones que representan atractivo para los textiles inteligentes. Especialmente, los tejidos de punto con poca tensión y gran deformación son sensibles a la generación de señales, por lo que son ideales para su uso en sensores flexibles, superando la resistencia al movimiento y reduciendo la pérdida de energía [35]. Además, las fricciones y deformaciones del tejido de punto son fenómenos comunes que son una opinión emocionante para la construcción de un nanogenerador triboeléctrico.

Como todos sabemos, la modificación de la morfología de la superficie es un enfoque importante para mejorar el rendimiento de salida de los TENG [36,37,38,39]. La mayoría tienen como objetivo aumentar el área de contacto disponible y la rugosidad de la superficie. Hay dos métodos principales que cambian la morfología de la superficie, uno es el grabado de la superficie y el otro es la replicación de la superficie. Sin embargo, el uso de un área de tratamiento limitada y muy costosa y una técnica de fabricación de múltiples pasos para generar una apariencia de superficie es difícil para la producción industrial. En este documento, Li et al. [40] investigó una película de polidimetilsiloxano (PDMS) con microestructuras superficiales despegadas del papel de lija, que era un método de un solo proceso y de bajo costo para preparar la diferencia de rugosidad de la superficie. Los resultados experimentales mostraron la salida máxima generada de 46,52 V bajo la clase de rugosidad de 3000 detectada por un perfil de superficie óptica 3D. Además, demasiadas microestructuras pueden disminuir severamente la superficie de contacto efectiva y resultar en la reducción de la capacidad de rendimiento energético. El tamaño de los TENG estaba limitado por el área del papel de lija, lo que llevó a aumentar el costo de fabricación. Hoy en día, las estructuras textiles están recibiendo una atención cada vez mayor debido a la formación de abundantes apariencias superficiales [38] sin el complejo proceso de fabricación y el alto costo. Para comprender completamente la apariencia de la superficie textil, se deben considerar algunos factores en términos de componentes únicos y características de la estructura, incluida la perspectiva del hilo, los parámetros físicos del textil y las estructuras del tejido. Entonces, Kwak et al. [41] investigó el área de contacto de tres estructuras (incluidas las estructuras de tejido liso, doble y de nervadura) durante el estiramiento y discutió la contribución para mejorar el potencial. Valió la pena que la tela acanalada se pueda tensar hasta en un 30%, ampliando el área de contacto a 180 cm ² . Dependiendo de la región media existente, la tela de nervadura se puede estirar en gran medida, lo que puede obtener un mayor potencial para aumentar el área de contacto. Como elemento principal de la estructura textil, se analizó la característica de los bucles que también fue el factor significativo para influir en el aspecto de la superficie. Huang y col. [42] se centró en el efecto de los parámetros básicos del textil (incluidas las patas de los bucles, los plomos del bucle y la densidad del tejido) para confirmar la diferencia en el rendimiento de salida. El nanogenerador triboeléctrico basado en tejido de gran densidad de puntada podría generar una mayor energía eléctrica con una densidad de potencia máxima máxima de 203 mW m ⁻² a 80 MΩ, lo que crea un área de contacto efectiva más grande. El resultado mostró que las morfologías de la superficie de varias estructuras de tejido influían en la capacidad de producción eléctrica. Con el fin de recolectar mucha más energía para prolongar la vida útil, se tejieron textiles con puntadas entrelazadas de doble cara en 3D [43] con un lecho plano de doble aguja, que exhibió el mismo rendimiento de salida en el anverso y el reverso. Además, los TENG basados en la estructura textil tridimensional podrían generar una densidad de alta potencia de 3,4 mW m ⁻² a la resistencia externa de 200 MΩ, lo que demuestra que se ha mejorado la capacidad de recolección de energía. Sin embargo, las apariencias de la superficie mencionadas anteriormente tienen poca representación en la forma geométrica de la superficie, y los factores sobre la carga de transferencia generada todavía adolecen de la falta de explicaciones específicas. No existe una forma universal que pueda caracterizar el aspecto de la superficie, que necesita encontrar una evaluación de morfología irregular. Por lo tanto, esa es la limitación para comprender completamente la carga de transferencia en el nanogenerador triboeléctrico actualmente.

El propósito del análisis de superficies es caracterizar las estructuras geométricas de los textiles, que pueden probarse en dos enfoques:método de contacto y método óptico [44]. El método de contacto puede describir bien la morfología de la superficie, pero el tiempo necesario es mucho mayor y la aguja deja un rastro en la superficie. En comparación con el método de contacto, con los beneficios de un tiempo de medición corto, una superficie de arnés baja y una detección fácil, el método óptico se ha utilizado para detectar la rugosidad de la superficie. Sin embargo, los espacios falsos y el alto nivel de ruido pueden reducir el juicio de la morfología de la superficie real.

La herramienta matemática es un análisis teórico que se puede utilizar para cuantificar el grado de rugosidad de la superficie. Es un enfoque novedoso para evaluar la superficie irregular. Con una superficie tan desigual, el método matemático convencional de geometría euclidiana no se puede utilizar porque es realmente difícil juzgar la dimensión de la geometría cuantitativa y la precisión de la medición, como la longitud del segmento y el peso del objeto. Sin embargo, la geometría fractal, un enfoque nombrado por Mandelbrot para describir estructuras irregulares, se ha proporcionado para resolver el problema y definir la irregularidad en la naturaleza [45], como las propiedades físicas de las espumas [46] y la evaluación de la suavidad de la tela [47]. . Casi todas las superficies rugosas se pueden dividir en algunas partes auto-similares que se pueden representar mediante una dimensión no integral, denominada dimensión fractal ( D _f ). Según las diversas superficies geométricas, el valor de D _f Es necesario considerar y analizar que tiene un efecto sobre la rugosidad y el área de contacto eficiente en el diseño de un nanogenerador triboeléctrico, optimizando la capacidad de convertir los movimientos humanos en eléctricos.

A continuación, en este trabajo, presentamos las diversas morfologías superficiales basadas en estructuras tejidas que se adoptan como una de las capas dieléctricas. El TENG a base de tejido de punto se fabricó utilizando hilos comerciales y una máquina de tejer industrial, que puede realizar la producción a gran escala y las aplicaciones prácticas. Para imitar el movimiento de la mano, los TENG están diseñados en el modo de trabajo por contacto separado (CS), que es el mecanismo de trabajo más simple. Las estructuras tejidas se forman en dos tipos de enfoques, incluida la morfología de la superficie cóncava convexa estructurada y basada en la forma. Debido a la diversidad de estructuras tejidas, las apariencias superficiales resultantes se pueden investigar y analizar sistemáticamente para confirmar la relación entre la morfología de la superficie y las estructuras tejidas. La D _f de cada tejido se puede calcular mediante el principio fractal apropiado, evaluando la rugosidad de la superficie del tejido. La carga de transferencia máxima de la apariencia de la superficie en 1 * 1 nervadura puede alcanzar hasta 91,66 nC mediante movimiento de aleteo y liberación, que obtiene la dimensión fractal de 0,99. Y un fenómeno interesante exhibe que con el valor de D _f cerrando al número uno, el cargo por transferencia puede ser mayor. Finalmente, el uso de la teoría fractal y las estructuras de tejido puede proporcionar un método eficaz para evaluar la cantidad de la carga de transferencia y se espera que ayude a diseñar los TENG basados en tejidos de punto con más eficiencia, producción industrial y un costo económico.

Materiales y métodos

Materiales

Los hilos de nailon (dtex 600, AnTong KeJia Textile fiber products Co., Ltd.) que estaban comúnmente disponibles tejidos en dos tipos de tejidos de costilla y tejidos convexos con un calibre de 15 (aguja / pulgada) en toda la máquina de confección (SHIMA Seiki Co., Japón). Se utiliza la película de politetrafluoroetileno (PTFE) con un espesor de 0,05 cm (Chenqi Electrical Technique Co. Ltd.). El electrodo doblado y retorcido es una lámina de cobre comercial (Shenzhen Biaozhitape Co. Ltd) con un grosor de 0.06 mm pegado en la parte posterior del tejido de punto para transferir carga polarizada.

Fabricación de tejidos de punto y nanogenerador triboeléctrico basado en tejidos de punto

La técnica de la trama como método de tejido representativo puede dotar fácilmente a los tejidos de una alta capacidad de estiramiento [48], un bajo coste y un rendimiento estético. Con las ventajas del tejido de posición, los textiles eléctricos se pueden integrar en la ropa sin técnicas de costura adicionales. Hay diez texturas convexo-cóncavas diseñadas que se muestran en la Tabla 1. Para demostrar la relación entre la morfología de la superficie y la carga de transferencia, se tejen cordones de longitud y transversales en la superficie del textil. Entonces, diez texturas diferentes se representan en la Tabla 1, en la que las primeras siete muestras se exhiben cordón longitudinal en la superficie, y las apariencias superficiales del no. 8, no. 9 y no. 10 son convexas transversales. Aquí, las estructuras se tejen mediante una máquina de tejido plano computarizada que es adecuada para procesos industriales de alta eficiencia, y los textiles pueden adaptar la escala personalizada. A través del propio sistema de diseño, las telas se pueden diseñar rápidamente y preparar fácilmente, especialmente para diseñar patrones intrincados. Todas las telas deben dejarse durante 24 h con las condiciones atmosféricas estándar para que la tela se relaje hasta el estado de tamaño estable, cuyo objetivo es disminuir la influencia de la contracción por relajación y mejorar el resultado de la precisión de la prueba. Luego, se pegó el mismo tamaño de cinta conductora en la parte posterior de los textiles. Sobre la base de las nanopartículas altamente polarizables, se adoptó la película hecha de PTFE como los otros materiales dieléctricos. La película todavía está adherida a un trozo de lámina de cobre, lo que transfiere la migración de electrones. En cuanto al CS, se han conectado cables conductores a dos modelos de fricción, que se mueven en dirección vertical. Luego se han fabricado los TENG textiles basados en CS.

Personajes fractales de tejidos de punto

No todos los objetos naturales tienen una forma y un límite regulares incompletos, incluida la costa, los copos de nieve, las nubes y las hojas. Por tanto, la dimensión fractal se utiliza para describir la morfología desigual generada por diferentes métodos, que es un método eficaz identificado en muchos trabajos de investigación. Hay varias formulaciones definidas como dimensión fractal, incluida la dimensión de Hausdorff, la dimensión de la caja de conteo y la dimensión similar et al., Que es el parámetro crucial para cuantificar el estilo de la superficie. La dimensión fractal típica era la curva de Kohn como un copo de nieve, que se presentó por primera vez en 1904. El área delimitada por tres auto-similitudes con infinito está restringida, llamada curvas de Kohn, cuya dimensión fractal es 1.2618. Generalmente, la dimensión fractal se puede calcular mediante la escala a, que indica la longitud, el ancho y el área. La siguiente fórmula puede presentar la relación:

$$ F \ left (\ mathrm {a} \ right) \ approx {a} ^ {D_f} $$ (1-1)

donde D _f es la dimensión fractal que se exhibe en la pendiente de una gráfica logarítmica.

La dimensión fractal de la superficie desigual, D _f , se puede determinar en un enfoque de dimensión de Hausdorff que se basa en el análisis de tamaño relativo de una unidad similar. Como factor de formación de la superficie del cordón, el distrito convexo que incluye varias unidades de estructura microconvexa con diferentes bordes y números se puede expresar como:

$$ M ={N} ^ {D_f} $$ (1-2)

donde M es el número de la unidad convexa, N es la repetición de múltiples unidades auto-similares que es la longitud de las unidades convexas a la longitud de las muestras completas, y D _f es la dimensión fractal de las estructuras elevadas. La ecuación es un modelo que se puede utilizar para predecir la morfología de la superficie, así que:

$$ {D} _f =\ raisebox {1ex} {$ \ log M $} \! \ Left / \! \ Raisebox {-1ex} {$ \ log N $} \ right. $$ (1-3)

Caracterización

Se utilizó el microscopio digital de borde Dino-lite (AnMo electronic corporation) para medir la densidad de tejidos de punto a partir de imágenes fotográficas. Las señales eléctricas del nanogenerador triboeléctrico de tejido de punto durante el modo de contacto y separación fueron operadas por un motor de revestimiento autoensamblado y un electrómetro (sistema Keithley 6514) basado en el sistema LabVIEW.

Resultados y discusión

Para confirmar los materiales de fricción, el orden triboeléctrico [49] es la referencia significativa, que cuantificó la polarización triboeléctrica de diferentes materiales comunes. El orden triboeléctrico presenta que un lado muestra ganar capacidad de carga y el otro lado posee una alta capacidad para perder electrones, los cuales han sido definidos como el desempeño material fundamental. Para obtener el rendimiento de salida sobresaliente, se seleccionan un par de materiales que deben atribuirse a la serie triboeléctrica con una distancia considerable, aumentando la diferencia de potencial. En este caso, uno es el comercial, de bajo costo, excelente resistencia a la abrasión y tendencia con carga altamente positiva (nailon) y el otro muestra tendencia con carga negativa (PTFE). En este trabajo, seleccionamos la membrana de PTFE sin ningún tratamiento en la superficie. Aquí, el único factor son las estructuras tejidas que pueden analizarse mediante el rendimiento de la transferencia de carga. Otro elemento crítico es el material del electrodo que es una lámina de cobre con alta flexibilidad, que se puede pegar directamente, que es un proceso de fabricación simple y de un solo paso. En comparación con el metal precioso de la plata y el oro, el precio de la hoja de cobre es económico y se puede utilizar para fabricar productos económicos. Por eso, el cobre se ha aplicado ampliamente como circuitos flexibles y electrodos en el diseño de dispositivos inteligentes.

En la actualidad, hay cuatro TENG operados en modo de trabajo universal correspondientes a las diferentes estructuras y movimientos de electrodos. Con las ventajas de la fabricación fácil, la abundante selección de materiales, los movimientos alternativos de dirección vertical, los CS TENG son los primeros profundamente investigados que tienen la capacidad potencial de recolectar algo de energía biomecánica, como aletear, caminar y correr. Aquí, para investigar el principio de influencia de las estructuras superficiales, se han diseñado los nanogeneradores triboeléctricos basados en tejido de punto (KNGs), correspondientes al contacto y separación entre tejido de nailon y película de PTFE. El proceso de ensamblaje del nanogenerador triboeléctrico se presenta en la Fig. 1a, que consta de tejidos de punto, membrana de PTFE y lámina de cobre. La versatilidad del tejido de punto flexible en términos de su capacidad para rizar (Fig. 1 bi), doblar (Fig. 1 bii), drapear (Fig. 1biii) y doblar (Fig. 1biv) en cualquier dirección, se adapta en varias escalas. representado en la Fig. 1b. Los KNG se pueden diseñar en función de los requisitos de la posición de aplicación y la estética de la ropa. La diversidad de estructuras de punto se ha tejido con diferentes apariencias de superficie, y luego estas fotografías de la superficie textil se muestran en la Fig. 1c.

Preparación esquemática, característica de KNG y estructura de punto. un Proceso de fabricación de KNG. b Imágenes de KNG bajo diversas deformaciones. yo, rizado; ii, doblado; iii, cubierto; iv, doblado. c Todas las estructuras tejidas fabricadas, del número 1 al 10

El mecanismo de funcionamiento de los KNG se presenta simplemente en la Fig. 2a. Para medir la carga de transferencia, la distancia máxima y la frecuencia de los movimientos del motor lineal se establecen en 10 cm y en 0,3 Hz para simular los movimientos de las manos aleteando, respectivamente. En cuanto a la monitorización común, la tensión de circuito abierto (Voc), la corriente de cortocircuito (Isc) y la carga de transferencia (Qsc) se miden mediante un motor lineal mecánico. En el estado original (Fig. 2 ai), el tejido de nailon produjo cargas positivas y la película de PTFE se cargó con cargas negativas debido a la inducción electrostática y la conservación de las cargas. Cuando se presionó el dispositivo (Fig. 2 aii), una contracción del espacio entre ambas superficies de contacto conducirá a la acumulación de carga positiva en el electrodo pegado en el PTFE. Los electrones fluyen desde el circuito externo para equilibrar la diferencia de potencial. Vale la pena notar que la cantidad equivalente de electrones se puede mantener en la superficie del área de contacto porque ambos materiales dieléctricos son aislantes (Fig. 2 aiii). A medida que el PTFE retrocede (Fig. 2aiv), el proceso se invierte y se obtiene el equilibrio eléctrico una vez más entre el tejido de nailon y el PTFE, reflejando la neutralización de cargas. En consecuencia, los electrones regresarán por diferencias de potencial eléctrico. En esta situación, los KNG podrían generar Isc y Voc, que tienen una característica de cambio periódico, que se muestra en la Fig. 2 by c. En las Fig. 2b yc, el recuadro es un gráfico ampliado que se describe en un ciclo.

Mecanismo de trabajo de energía eléctrica y el rendimiento de salida de KNG. un Mecanismo de funcionamiento de KNG mediante contacto de tejido de nailon con miembro de PTFE. b Voc de KNG e imagen ampliada para un ciclo. c Isc de KNG e imagen ampliada de un ciclo

Para fabricar estructuras convexas en la superficie textil, se utilizan dos tipos de métodos, incluido el diseño de la estructura y la formación de la forma, como se muestra en la Fig. 3. El diseño de la estructura depende de la diferente proporción de las puntadas de bucle de la cara y el reverso puntadas de bucle. Las muestras totales están diseñadas en siete tipos de nervaduras, incluido el tipo de m * n ( m = n =1, 2, 3, 4) en la Fig. 3a y 2 * m ( m =1, 2, 3, 4) que se muestra en la Fig. 3b. La nervadura tiene una apariencia de cordón vertical debido a las vigas de bucle frontal que tienden a moverse por encima y por delante de las vigas de bucle inverso; entonces, la altura máxima del cordón puede llegar a 0,2 cm. La costilla de m * n ( m = n =1, 2, 3, 4) se puede equilibrar con ribetes alternos de bucles faciales en cada lado, de modo que quede plano sin rizos después de la sastrería. Y ambos lados del tejido tienen el mismo aspecto que se muestra en la Fig. 3e. Sin embargo, de las diferentes proporciones de la cara y los bucles inversos en las estructuras de nervadura de 2 * m, se desprende una superficie de distinción, como se muestra en la Fig. 3f. Además, el proceso de estiramiento de la tela acanalada se divide en dos etapas, incluidas las varillas inversas que se entrelazan en ambos lados hasta que se estiran para revelar las varillas de bucle inverso en el medio y luego se continúan estirando los bucles completos sobre el doble de ancho que un equivalente. tela única. Por lo tanto, en comparación con las telas lisas, los textiles de nervadura tienen el potencial de aumentar la capacidad de estiramiento para cosechar movimientos de aleteo y estiramiento (dirección transversal y longitudinal) durante el modo de trabajo de separación por contacto. El otro método para establecer una estructura elevada es la deformación de la forma en la que la capa de aire se forma en la superficie del n ( n =4, 5, 6) textil que se ilustra en la Fig. 3c. El espesor del área de la sección transversal está en el rango de 0,15 a 0,3 cm. La característica de la capa de aire es una estructura de arco prominente que puede proporcionar algo de espacio para acelerar la separación de electrones cuando se desencadenan movimientos. Sobre todo lo mencionado, los tejidos de punto se diseñan a través de una máquina plana computarizada que puede realizar la precisión de la ubicación del tejido, formando toda la prenda e integrando materiales inteligentes en la tela a la perfección. Esta nomenclatura de técnica de tejido se ha marcado en la Fig. 3d que describe correctamente las características de la estructura.

Características esquemáticas y componentes de estructuras tejidas. un Características de la nervadura m * n. b Características de la nervadura de 2 * m. c Características de un cordón horizontal de aguja. d Nomenclatura de la técnica de tejido. e Imagen del anverso y reverso en la estructura de nervadura 1 * 1. f Imagen del anverso y reverso en estructura de nervadura 2 * 1

Trabajos anteriores [42] demostraron el área de contacto efectiva del lado de la cara que era mucho más que la parte posterior de la tela; El resultado en la carga de transferencia fue dos veces mayor que el rendimiento de salida de la parte posterior. Esto se debe a que la longitud del bucle de la aguja era más larga que la del bucle de la plomada. Por lo tanto, para mejorar el rendimiento de salida y crear solo un factor de influencia, las estructuras de contacto elevado consisten en bucles laterales de la cara. Las salidas de los KNG dependiendo del número de unidades convexas se representan en la Fig. 4. Se formó una tendencia decreciente en la que el área de contacto de todos los textiles experimentados disminuyó con el número de unidades elevadas. Además, las cargas eléctricas más significativas están en el orden secuencial de 1 * 1 costilla, 2 * 1 costilla y cuatro estructuras con forma de aguja (el primer punto de cada línea) con los valores de 91.66 nC, 90.19 nC y 69,64 nC, respectivamente.

El rendimiento de salida cambió a través del número de la unidad convexa

Luego, se investiga la estructura del tejido con la diferente morfología de la superficie en aspectos de diversidad, densidad de la pared, número de unidades del lado de la cara y estructuras. Todos los parámetros de diez tipos de tejidos de punto se prueban y registran en la Tabla 2. Notablemente, la densidad del hilado siempre es constante porque la apariencia del cordón ha crecido a lo largo de la dirección vertical al analizar las muestras Nos. 1-7. Por lo tanto, la densidad de las ballestas como factor principal que debe discutirse se refiere a las características de las diferentes estructuras de tejido. Es obvio que el bucle frontal y el bucle inverso tienen la misma proporción en los números 1-4, alrededor del 50%. Estos textiles muestran las mismas estructuras sin importar cuál sea el anverso o el reverso según el tejido de punto doble. El grosor medio muestra más alto en comparación con los números de muestra. 5–7 que consta de un número diferente de puntadas faciales y puntadas de reserva. Textura no. 4 posee la unidad de repetición más grande, ya que su densidad de ballesta es dos veces mayor que no. 1. Sin embargo, el número de unidades del lado frontal en la tela práctica es casi la mitad de declive que no. 1. Esto se debe a que los bucles más plomos se estiran entre sí para que se pueda formar la apariencia de la columna. Con el aumento de la unidad tejida, el diámetro de la columna y el grosor de las telas aumentan, en este caso, disminuyendo el número de unidades del lado de la cara y el área de contacto eficiente cuando se activan los movimientos. En términos de estructura de nervadura con diferentes proporciones de cara y bucle inverso, la apariencia exhibe la característica de estructura de una sola cara, obviamente, con unidades de repetición tejidas en aumento. Mientras tanto, la densidad de galeones del no. 7 es tan grande como no. 1 y no. 5, pero el número de unidades de bucles faciales tiene diferencias distintivas debido a que el número de unidades tejidas es de seis bucles que son mucho más que ningún. 1 (2 bucles) y no. 5 (3 bucles), por lo que el rendimiento de salida es menor que el del no. 1 y no. 5. Como resultado, el tejido de punto acanalado núm. 1 representa la mayor cantidad de unidades de bucle de caras en los números. 1-10 durante los movimientos de contacto-separación.

Por otro lado, el tejido de punto con forma se ha diseñado a través de la diferente cantidad de bucles que se ensamblan en todo el tejido, formando estructuras de arco. Debido a que la dirección de la longitud del cordón es horizontal, la densidad de las ballestas de la tela muestra una estabilidad aproximada en la dirección transversal. La estructura del arco proporciona un enfoque para separar la carga en la superficie, que tiene un espacio interior hueco. Por lo tanto, se ha mejorado la eficiencia de la recolección de energía del mecanismo desperdiciada. Generalmente, para mejorar el rendimiento de salida, un tipo de arco está hecho de materiales flexibles con perfecta elasticidad y durabilidad, como sustratos de silicona, pero es difícil de tejer en una máquina de tejer industrial para cumplir con los requisitos comerciales. Cuando se trata de ver que la estructura del arco se basa en el tejido de punto en investigaciones anteriores [24, 41, 50], la construcción necesita ser cosida o pegada, lo cual es un proceso complejo y que requiere mucho tiempo. Presentamos un textil de arcos de punto que se elabora mediante la técnica de conformado total sin segunda manufactura que dota a la alta eficiencia de producción. Entre las estructuras de hilo horizontal, la altura de 0,3 cm muestra la salida de carga más baja en comparación con la estructura de hilo horizontal de cuatro agujas y cinco agujas con una altura de 0,15 cm y 0,2 cm, respectivamente, lo que puede verse influenciado por la baja rigidez de los tejidos de punto en una gran distancia entre ambos extremos fijo. La forma convexa más alta es difícil de mantener el arco con fuerza de presión y recuperar su forma prístina, lo que lleva a que algunas cargas se neutralicen. Como resultado, la disminución de la altura del arco puede mejorar la tolerancia de las estructuras convexas. Sin embargo, estos cables con forma reducen el área de contacto efectivo, que es un tipo de línea que tiene áreas pequeñas que el contacto real, disminuyendo el rendimiento de la salida eléctrica.

Los bucles tienen estructuras irregulares, por lo que la evaluación de sus propiedades geométricas, como el tamaño de la puntada y la forma de la superficie, es un desafío. Para identificar la irregularidad de los bucles, no se puede utilizar la evaluación tradicional que es una dimensión integral. Se sugiere la teoría fractal para analizar la categoría de irregularidad en nuestro entorno y naturaleza. El concepto propuesto de dimensión fractal es una excelente herramienta para exhibir una morfología compleja que presenta las reglas, la complejidad y la rugosidad de la superficie textil. Debido a que todos los fractales no son completamente similares a sí mismos, el cálculo matemático se utiliza para argumentar la configuración de la geometría. Para comprender la superficie de la estructura tejida, algunas imágenes visualizan la información contenida en la Fig. 5d. Como se muestra en la Fig. 5d, la característica de la superficie convexa se puede observar intuitivamente desde diferentes perspectivas donde se encuentra la evidencia para confirmar la morfología elevada.

Curva de ajuste y algunas imágenes visuales para tejer textiles. un La estructura de nervadura m * n. b La estructura de nervadura de 2 * m. c Some needle horizontal cord structure. d The visual images from different aspects

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. un The Isc of m*n rib. b the Voc of the m*n rib. c The Isc of 2*m rib. d The Voc of the 2*m rib. e The Isc of n type. f The Voc of n type. g The D_f -transfer charge curve. h 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:

$$ \varepsilon \left(a\ast b\right)=M\left(l\ast b\right) $$ (1-4) $$ N=\frac{a}{l} $$ (1-5)

where 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 and 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. Pero no. 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.

Conclusión

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.

Disponibilidad de datos y materiales

All data generated or analyzed during this study are included in this published article.

Abreviaturas

E-skins:: Electronic skins
IoT:: Internet of Things
PDMS:: Polidimetilsiloxano
TENG:: Triboelectric nanogenerator
PTFE:: Polytetrafluoroethylene
D_f :: Fractal dimension
CS:: Contact-separate working mode
KNG:: The triboelectric nanogenerator based on knitted textile
Voc:: The open-circuit voltage
Isc:: Short-circuit current
Qsc:: Transfer charge
F value:: The difference between the fractal dimension and the value of one

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