Mejora de la transferencia de carga en nanogeneradores triboeléctricos de estructura de punto mediante análisis de morfología superficial

Resumen

La recolección de energía biomecánica residual ha proporcionado un enfoque prometedor para mejorar el suministro de energía de dispositivos portátiles y extender su vida útil. La morfología superficial es un factor significativo para mejorar el rendimiento de salida de nanogeneradores triboeléctricos; 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 transferencia de carga, se ha propuesto una teoría matemática, la teoría de geometría fractal, para analizar las características de morfología superficial irregular. Esta teoría proporcionó una buena comprensión del área de contacto y rugosidad de la superficie. Hemos diseñado tres categorías de estructuras de punto con apariencia de cordón usando una máquina de tejido plano y analizamos sus características superficiales. Mientras tanto, las estructuras geométricas pueden demostrarse a través de la dimensión fractal para evaluar el rendimiento de salida generado durante el contacto y separación. La presente investigación exhibe que, con el aumento del número de unidades de punto, el rendimiento de generación de energía triboeléctrica continuó reduciéndose debido a la disminución del área de contacto disponible. Tras calcular la dimensión fractal de diferentes estructuras de punto, las estructuras de canalé m*n muestran alta transferencia de carga cuando la dimensión fractal está cerca del número uno, especialmente la dimensión fractal de la estructura de canalé 1*1 que puede alcanzar 0.99. La teoría fractal puede usarse además como enfoque para evaluar la influencia en el rendimiento de salida de morfología superficial irregular, no relacionada con la distracción de unidades convexas uniformes. El resultado de esta investigación también demostró la factibilidad de un nanogenerador triboeléctrico basado en punto para recolectar energía biomecánica y alimentar electrónica portátil integrada en prendas.

Introducción

Las técnicas de inteligencia avanzada han barrido el mundo global y han sacado a la luz algunos dispositivos portátiles inteligentes y flexibles novedosos, como sensores de seguimiento de salud, dispositivos de detección de gestos, pieles electrónicas (E-skins), circuitos flexibles y wearables de fibra óptica. Sin embargo, con desventajas de peso masivo, baja eficiencia de conversión, contaminación ambiental grave y corta vida de batería, el suministro de energía es la enorme limitación para el desarrollo de electrónicos. Desde que el primer nanogenerador triboeléctrico (TENG) se desarrolló con éxito en 2012, basado en características de pequeña escala, ligereza, diversos materiales, seguridad, virtudes ambientales y alta eficiencia, ha proporcionado una estrategia prometedora y efectiva para abordar los problemas mencionados. Junto con el rápido advenimiento de TENGs que funcionan a través de un efecto acoplado de electrificación por contacto e inducción electrostática, se ha confirmado como un enfoque deseable para obtener energía mecánica de nuestro entorno, especialmente mediante la recolección de movimientos de baja frecuencia e irregulares (incluyendo viento, gotas de agua y movimiento humano, energía biomecánica, etc.), realizando transmisiones de datos y suministro de energía en el Internet de las Cosas (IoT). Para 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 textil tradicional es uno de los candidatos prometedores para dispositivos portátiles orientados al ser humano, como sensores flexibles autoalimentados, recolectores de energía portátiles y sistemas de almacenamiento de energía basados en textiles. También dota a los textiles convencionales de funcionalidad, inteligencia y alto valor añadido. Estos dispositivos electrónicos basados en textiles satisfacen los requisitos de ligereza, bajo costo, comodidad, transpirabilidad, portabilidad, durabilidad y lavabilidad para uso rutinario. Además, es fácil fabricar textiles con colores variables y abundantes diseños de patrones que representan atractivo para textiles inteligentes. Especialmente, los textiles de punto con pequeña deformación y gran elongación son sensibles a la generación de señal, por lo que son ideales para sensores flexibles, superando resistencia al movimiento y reduciendo pérdida de energía. Adicionalmente, fricciones y deformaciones de textiles de punto son fenómenos comunes que son una opinión emocionante para construir un nanogenerador triboeléctrico.

Como sabemos, la modificación de morfología superficial es un enfoque significativo para mejorar el rendimiento de salida de TENGs. La mayoría tienen como propósito aumentar el área de contacto disponible y la rugosidad de la superficie. Hay dos métodos primarios que cambian la morfología superficial: grabado superficial y replicación superficial. Sin embargo, el uso de técnicas de fabricación de múltiples pasos, área de tratamiento limitada y alto costo para generar apariencia superficial es difícil para producción industrial. Aquí, Li et al. investigaron una película de polidimetilsiloxano (PDMS) con microestructuras superficiales desprendidas de lija, que fue un método de un proceso y bajo costo para preparar diferente rugosidad superficial. Los resultados experimentales mostraron una salida máxima generada de 46.52 V bajo la clase de rugosidad 3000 detectada por un perfilador óptico 3D de superficie. Además, demasiadas microestructuras pueden disminuir severamente la superficie de contacto efectiva y resultar en reducción de la capacidad de rendimiento energético. El tamaño de TENGs estaba limitado por el área de lija, lo que llevó a aumentar el costo de fabricación. Hoy en día, las estructuras textiles reciben creciente atención debido a la formación de abundantes apariencias superficiales sin proceso de fabricación complejo y alto costo. Para comprender completamente las apariencias superficiales textiles, algunos factores deben considerarse en términos de componentes únicos y características estructurales, incluyendo la apariencia del hilo, parámetros físicos textiles y estructuras de punto. Luego, Kwak et al. investigaron el área de contacto de tres estructuras (incluyendo estructuras de tela plana, doble y de canalé) durante el estiramiento y discutieron la contribución para mejorar el potencial. Vale la pena que el tejido de canalé pueda tensarse hasta 30%, ampliando el área de contacto a 180 cm². Dependiendo de la región media existente, el tejido de canalé puede estirarse largamente, obteniendo un mayor potencial para aumentar el área de contacto. Como elemento primario de la estructura textil, la característica de los bucles se analizó que también fue factor significativo para influir la apariencia superficial. Huang et al. se enfocaron en el efecto de parámetros básicos textiles (incluyendo patas de bucle, hundidores de bucle y densidad textil) para confirmar la diferencia en el rendimiento de salida. El nanogenerador triboeléctrico basado en tela de alta densidad de punto pudo generar mayor energía eléctrica con densidad de potencia pico máxima de 203 mW m⁻² a 80 MΩ, lo que hace un área de contacto efectiva mayor. El resultado exhibió que las morfologías superficiales de varias estructuras de tela tuvieron influencia en la capacidad de salida eléctrica. Para recolectar mucha más energía para extender la vida útil, textiles de punto interlock 3D de doble cara se tejieron por cama de aguja doble plana, que exhibieron el mismo rendimiento de salida en lado frontal y trasero. Además, los TENGs basados en estructura textil tridimensional pudieron generar alta densidad de potencia de 3.4 mW m⁻² a resistencia externa de 200 MΩ, demostrando que la capacidad de recolección de energía ha mejorado. Sin embargo, las apariencias superficiales mencionadas tienen poca descripción sobre la forma geométrica de la superficie, y los factores sobre la carga de transferencia generada aún sufren de falta de explicaciones específicas. No hay manera universal que pueda caracterizar apariencia superficial, lo que necesita encontrar una evaluación de morfología irregular. Por tanto, esa es la limitación para comprender completamente la transferencia de carga en el nanogenerador triboeléctrico actualmente.

El propósito del análisis superficial es caracterizar las estructuras geométricas de textiles, que pueden probarse en dos enfoques: método de contacto y método óptico. El método de contacto puede describir bien la morfología superficial, pero el tiempo necesario es mucho más largo, y la aguja deja rastro en la superficie. Comparado con el método de contacto, con beneficios de tiempo de medición corto, bajo impacto en superficie y fácil detección, el método óptico se ha usado para detectar rugosidad superficial. Sin embargo, los huecos falsos y alto nivel de ruido pueden reducir el juicio de la morfología superficial real.

La herramienta matemática es un análisis teórico que puede usarse para cuantificar el grado de rugosidad superficial. Es un enfoque novedoso para evaluar la superficie irregular. Con tal superficie irregular, el método matemático convencional de geometría euclidiana no puede usarse porque es realmente difícil juzgar la dimensión geométrica cuantitativa y precisión de medición, como longitud de segmento y 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, como propiedades físicas de espumas y evaluación de suavidad de tela. Casi todas las superficies rugosas pueden dividirse en algunas partes auto-similares que pueden representarse por una dimensión no entera, llamada dimensión fractal (Df). Basado en las diversas superficies geométricas, el valor de Df necesita considerarse y analizarse que tiene efecto en la rugosidad y área de contacto eficiente en el diseño de un nanogenerador triboeléctrico, optimizando la capacidad de convertir movimientos humanos en eléctricos.

Aquí, en este trabajo, presentamos las diversas morfologías superficiales basadas en estructuras de punto que se adoptan como una de las capas dieléctricas. El TENG basado en textil de punto se fabricó usando hilos comerciales y máquina de tejido industrial, lo que puede realizar producción a gran escala y aplicaciones prácticas. Para imitar el movimiento de aleteo de mano, los TENGs se diseñaron en modo de trabajo contacto-separación (CS) que es el mecanismo de trabajo más simple. Las estructuras de punto se forman en dos tipos de enfoque, incluyendo morfología superficial convexa-cóncava basada en estructura y forma. Debido a la diversidad de estructuras de punto, las apariencias superficiales resultantes pueden investigarse y analizarse sistemáticamente para confirmar la relación entre morfología superficial y estructuras de punto. La Df de cada tela puede calcularse a través del principio fractal apropiado, evaluando la rugosidad de la superficie de tela. La máxima transferencia de carga de apariencia superficial en canalé 1*1 puede alcanzar hasta 91.66 nC por movimiento de aleteo y liberación, obteniendo dimensión fractal de 0.99. Y un fenómeno interesante exhibe que con el valor de Df acercándose al número uno, la transferencia de carga puede ser mayor. Finalmente, el uso de teoría fractal y estructuras de punto puede proporcionar un método efectivo para evaluar cuantitativamente la transferencia de carga y se espera que ayude a diseñar TENGs basados en textil de punto con más eficiencia, producción industrial y costo económico.

Materiales y Métodos

Materiales

Los hilos de nailon (dtex 600, AnTong KeJia Textile fiber products Co., Ltd.) que estaban comúnmente disponibles se tejieron en dos tipos de textiles de canalé y telas convexas con calibre de 15 (aguja/pulgada) en máquina de prenda completa (SHIMA Seiki Co., Japón). La película de politetrafluoroetileno (PTFE) con espesor de 0.05 cm (Chenqi Electrical Technique Co. Ltd.) se usa. El electrodo doblado y torcido es lámina de cobre comercial (Shenzhen Biaozhitape Co. Ltd) con espesor de 0.06 mm pegada en la parte posterior del textil de punto para transferir carga polarizada.

Fabricación de telas de punto y nanogenerador triboeléctrico basado en textil de punto

La técnica de trama como método representativo de tejido puede dotar fácilmente a las telas de alta elasticidad, bajo costo y rendimiento estético. Con las ventajas del tejido por posición, los textiles de energía pueden integrarse en ropa sin técnicas de costura adicionales. Hay diez texturas convexo-cóncavas diseñadas que se representan en la Tabla 1. Para demostrar la relación entre morfología superficial y transferencia de carga, cordones longitudinales y transversales se tejen en la superficie del textil. Así, diez texturas diferentes se representan en la Tabla 1, donde las primeras siete muestras exhiben cordón longitudinal en la superficie, y las apariencias superficiales de no. 8, no. 9 y no. 10 son convexas transversales. Aquí, las estructuras se tejen en una máquina de tejido plano computarizada adecuada para proceso industrial de alta eficiencia, y los textiles pueden adaptarse a escala personalizada. A través del propio sistema de diseño, las telas pueden diseñarse rápidamente y prepararse fácilmente, especialmente para diseñar patrones intrincados. Todas las telas deben dejarse por 24 h con condiciones atmosféricas estándar para relajar la tela al estado de tamaño estable, con el propósito de disminuir la influencia de encogimiento por relajación y mejorar la precisión de prueba. Luego, cinta conductora del mismo tamaño se pegó en la parte posterior de textiles. Basado en nanopartículas altamente polarizables, la película hecha de PTFE se adoptó como el otro material dieléctrico. La película aún se adhiere a una pieza de lámina de cobre, transfiriendo migración de electrones. En cuanto al CS, cables conductores se han conectado a dos modelos de fricción, que se mueven en dirección vertical. Luego, los TENGs textiles basados en CS se han fabricado.

Caracteres fractales de telas de punto

No todos los objetos naturales son de forma y límite irregular incompleto, incluyendo costa, copo de nieve, nube y hoja. Por tanto, la dimensión fractal se usa para describir la morfología irregular generada por diferentes métodos, que es un método efectivo identificado en muchos trabajos de investigación. Hay varias formulaciones definidas como dimensión fractal, incluyendo dimensión de Hausdorff, dimensión de conteo de cajas y dimensión similar, que es el parámetro crucial para cuantificar el estilo de la superficie. La dimensión fractal típica fue la curva de Kohn como copo de nieve, presentada primero 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 puede calcularse por escala a, que indica longitud, ancho y área. La siguiente fórmula presenta la relación: F(a) ≈ a^Df, donde Df es la dimensión fractal exhibida en la pendiente de un gráfico log-log.

La dimensión fractal de superficie irregular, Df, puede determinarse en enfoque de dimensión de Hausdorff basado en análisis de tamaño relativo de unidad similar. Como factor de formación de superficie de cordón, el distrito convexo que incluye varias unidades de microestructura convexa con diferentes bordes y número puede expresarse como: M = N^Df, donde M es el número de unidad convexa, N es el múltiplo repetido de unidades auto-similares que es la longitud de unidades convexas a la longitud de muestras completas, y Df es la dimensión fractal de estructuras elevadas. La ecuación es un modelo que puede usarse para predecir la morfología superficial, así: Df = log M / log N.

Caracterización

El microscopio digital Dino-lite edge (AnMo electronic corporation) se usó para medir la densidad de telas de punto desde imágenes fotográficas. Las señales eléctricas del nanogenerador triboeléctrico de tela de punto en modo de contacto y separación fueron operadas por un motor lineal autoensamblado y un electrómetro (sistema Keithley 6514) basado en sistema LabVIEW.

Resultados y Discusión

Para confirmar materiales de fricción, el orden triboeléctrico es la referencia significativa, que cuantificó la polarización triboeléctrica de diferentes materiales comunes. El orden triboeléctrico presenta que un lado muestra capacidad de ganancia de carga y el otro lado posee alta capacidad de perder electrones, definidos como rendimiento fundamental de material. Para obtener rendimiento de salida sobresaliente, una pareja de materiales se selecciona que necesitan atribuirse a la serie triboeléctrica con distancia considerable, aumentando la diferencia de potencial. Aquí, uno es el nailon comercial, de bajo costo, excelente resistencia a la abrasión y tendencia altamente cargada positivamente, y el otro muestra tendencia cargada negativamente (PTFE). En este trabajo, seleccionamos la membrana PTFE sin tratamientos en la surface. Aquí, el único factor son las estructuras de punto que pueden analizarse por el rendimiento de transferencia de carga. Otro elemento crítico es el material de electrodo que es lámina de cobre con alta flexibilidad, que puede pegarse directamente, proceso de fabricación simple y de un paso. Comparado con metales preciosos de plata y oro, el precio de lámina de cobre es económico y puede usarse para fabricar productos económicos. Así, el cobre se ha aplicado ampliamente como circuitos flexibles y electrodos en diseño de dispositivos inteligentes.

Actualmente, hay cuatro modos de trabajo universales de TENGs correspondientes a diferentes estructuras de electrodos y movimientos. Con ventajas de fabricación fácil, selección abundante de materiales, movimientos en dirección vertical recíproca, los TENGs CS son los primeros investigados profundamente que tienen capacidad potencial para recolectar algo de energía biomecánica, como aleteo de manos, caminar y correr. Aquí, para investigar el principio de influencia de las estructuras superficiales, los nanogeneradores triboeléctricos basados en textil de punto (KNGs) se han diseñado, correspondientes al contacto y separación entre tela de nailon y película PTFE. El proceso de ensamblaje del nanogenerador triboeléctrico se presenta en Fig. 1a, consistiendo en telas de punto, membrana PTFE y lámina de cobre. La versatilidad de tela de punto flexible en términos de su capacidad de arrugado, doblado, drapeado y plegado en cualquier dirección se adapta a varias escalas representadas en Fig. 1b. Los KNGs pueden diseñarse basados en requerimiento de posición de aplicación y estética de ropa. La diversidad de estructuras de punto se ha tejido con diferentes apariencias superficiales, y luego estas fotografías de la superficie textil se han mostrado en Fig. 1c.

Figura 1. Preparación esquemática, característica de KNG y estructura de punto. a) Proceso de fabricación de KNG. b) Imágenes de KNG bajo varias deformaciones. i, arrugado; ii, doblado; iii, drapeado; iv, plegado. c) Todas las estructuras de punto fabricadas, del número 1 al 10

El mecanismo de operación de los KNGs se presenta simplemente en Fig. 2a. Para medir la transferencia de carga, la distancia máxima y la frecuencia de movimientos del motor lineal se establecen en 10 cm y 0.3 Hz para simular movimientos de aleteo de manos, respectivamente. Para monitoreo común, el voltaje de circuito abierto (Voc), corriente de cortocircuito (Isc) y transferencia de carga (Qsc) se miden por un motor lineal mecánico. En estado original (Fig. 2ai), el textil de nailon produjo cargas positivas y la película PTFE se cargó con cargas negativas debido a inducción electrostática y conservación de cargas. Cuando el dispositivo se presionó (Fig. 2aii), una contracción del espacio entre ambas superficies de contacto llevará a la carga positiva acumulándose en el electrodo pegado en el PTFE. Los electrones fluyen del circuito externo para equilibrar la diferencia de potencial. Vale notar que la cantidad equivalente de electrones puede mantenerse en la superficie del área de contacto porque ambos materiales dieléctricos son aislantes (Fig. 2aiii). Cuando el PTFE se mueve hacia atrás (Fig. 2aiv), el proceso se invirtió y la electricidad obtendrá equilibrio nuevamente entre textil de nailon y PTFE, reflejando la neutralización de cargas. Consecuentemente, los electrones fluirán de vuelta por diferencias de potencial eléctrico. En esta situación, los KNGs podrían generar Isc y Voc, que tienen característica de cambio periódico, mostrado en Fig. 2b y c. En Fig. 2b y c, el recuadro es un gráfico ampliado descrito en un ciclo.

Figura 2. Mecanismo de trabajo de potencia eléctrica y rendimiento de salida de KNG. a) Mecanismo de operación de KNG usando tela de nailon en contacto con miembro 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, hay dos tipos de métodos usados, incluyendo diseño de estructura y formación de forma, como se muestra en Fig. 3. El diseño de estructura depende de la diferente proporción de puntos de bucle frontal y puntos de bucle inverso. El total de muestras se diseña en siete tipos de canalé, incluyendo tipo m*n (m = n = 1, 2, 3, 4) en Fig. 3a y 2*m (m = 1, 2, 3, 4) en Fig. 3b. El canalé tiene apariencia de cordón vertical debido a los gálibos de bucle frontal que tienden a moverse sobre y frente a los gálibos de bucle inverso; entonces, la altura máxima del cordón puede llegar a 0.2 cm. El canalé m*n (m = n = 1, 2, 3, 4) puede equilibrarse por gálibos alternados de bucles frontales en cada lado, por lo que queda plano sin rizado después del corte. Y ambos lados del textil tienen la misma apariencia como se muestra en Fig. 3e. Sin embargo, las diferentes proporciones de bucles frontales e inversos en estructuras de canalé 2*m, hay una superficie distintiva que sale, como se muestra en Fig. 3f. Además, el proceso de estiramiento de tela de canalé se divide en dos etapas, incluyendo los gálibos inversos entrelazados en ambos lados hasta ser estirados para revelar los gálibos de bucle inverso en medio y luego todos los bucles continúan estirándose sobre el doble de ancho que una tela simple equivalente. Por tanto, comparado con telas planas, los textiles de canalé tienen potencial para aumentar la capacidad elástica para recolección de movimientos de aleteo y estiramiento (dirección transversal y longitudinal) durante el modo de trabajo contacto-separación. El otro método para establecer estructura elevada es la deformación de forma donde la capa de aire se forma en la superficie del textil n (n = 4, 5, 6) ilustrada en Fig. 3c. El espesor de área transversal está en rango de 0.15 a 0.3 cm. La característica de la capa de aire es una estructura de arco prominente que puede proporcionar espacio para acelerar separación de electrones al desencadenar movimientos. Sobre todo lo mencionado, los textiles de punto se diseñan a través de máquina plana computarizada que puede realizar precisión de ubicación de tejido, formando la prenda completa e integrando materiales inteligentes en tela perfectamente. Tal nomenclatura de técnica de tejido se ha marcado en Fig. 3d que representa las características de estructura correctamente.

Figura 3. Características esquemáticas y componentes de estructuras de punto. a) Características de canalé m*n. b) Características de canalé 2*m. c) Características de algunos cordones horizontales de aguja. d) Nomenclatura de técnica de tejido. e) Imagen del lado frontal y trasero en estructura de canalé 1*1. f) Imagen del lado frontal y trasero en estructura de canalé 2*1

Trabajos previos demostraron que el área de contacto efectiva del lado frontal era mucho mayor que la parte posterior del textil; resultando en transferencia de carga el doble de alta que el rendimiento de salida del lado posterior. Esto es porque la longitud de bucle de aguja era más larga que el bucle de hundidor. Por tanto, para mejorar el rendimiento de salida y crear solo un factor influyente, las estructuras elevadas de contacto consisten en bucles de lado frontal. Las salidas de los KNGs dependiendo del número de unidades convexas se grafican en Fig. 4. Se formó una tendencia decreciente donde el área de contacto de todos los textiles experimentados disminuyó con el número de unidad elevada. También, las cargas eléctricas más significativas están en orden secuencial de canalé 1*1, canalé 2*1 y estructuras de forma de cuatro agujas (el primer punto de cada línea) con valores de 91.66 nC, 90.19 nC y 69.64 nC, respectivamente.

Figura 4. El rendimiento de salida cambió a través del número de unidad convexa

Luego, la estructura de punto con diferente morfología superficial en aspectos de diversidad de densidad de gálibo, número de unidad de lado frontal y estructuras se investigan. Todos los parámetros de diez tipos de textiles de punto se prueban y registran en Tabla 2. Notablemente, la densidad de carrera es siempre constante porque la apariencia de cordón ha crecido en dirección vertical al analizar muestras Nos. 1–7. Así, la densidad de gálibo como factor principal que necesita discutirse se refiere a las características de diferentes estructuras de punto. Es obvio que bucle frontal e inverso tienen la misma proporción en Nos. 1-4, alrededor de 50%. Estos textiles muestran las mismas estructuras sin importar qué sea el lado frontal o posterior basado en tejido de doble punto. El espesor promedio muestra mayor comparado con muestras nos. 5–7 que consisten en diferente número de puntos frontales y de reserva. Textura no. 4 posee la unidad de repetición más grande que su densidad de gálibo es el doble de grande que no. 1. Sin embargo, el número de unidades de lado frontal en la tela práctica es casi la mitad de disminución que no. 1. Esto es porque los más bucles de hundidor se estiran entre sí para que la apariencia de columna pueda formarse. Con el aumento de unidad de punto, el diámetro de la columna y el espesor de telas se agrandan, disminuyendo el número de unidad de lado frontal y el área de contacto eficiente al desencadenar movimientos. En términos de estructura de canalé con diferentes proporciones de bucles frontales e inversos, la apariencia exhibe característica de estructura de una cara obviamente, con unidades de punto repetidas aumentando. Mientras tanto, la densidad de gálibo de no. 7 es tan grande como no. 1 y no. 5, pero el número de unidades de bucle frontal tiene diferencias distintivas debido a que el número de unidad de punto es seis bucles que son mucho más que no. 1 (2 bucles) y no. 5 (3 bucles), por lo que el rendimiento de salida es menor que el de no. 1 y no. 5. Como resultado, la tela de punto de canalé no. 1 representa la mayoría de unidades de bucle frontal en nos. 1–10 durante los movimientos de contacto-separación.

Por otro lado, el textil de punto de tipo forma se ha diseñado a través del diferente número de bucles ensamblando en la tela completa, formando estructuras de arco. Debido a la dirección de longitud de cordón es horizontal, la densidad de gálibo de la tela muestra estabilidad aproximada en dirección transversal. La estructura de arco proporciona un enfoque para separar carga en la superficie, que tiene espacio interior hueco. Así, la eficiencia de recolección de energía mecánica residual ha mejorado. Generalmente, para mejorar el rendimiento de salida, un tipo de arco se hace de materiales flexibles con perfecta elasticidad y durabilidad, como sustratos de silicona, pero es difícil tejer en máquina de tejido industrial para cumplir requisitos comerciales. Cuando se trata de ver la estructura de arco basada en textil de punto en investigaciones previas, la construcción necesita coserse o pegarse, proceso complejo y que consume tiempo. Presentamos un textil de arco de punto que se prepara a través de técnica de formación completa sin segunda fabricación que dota alta eficiencia de producción. Entre las estructuras de cordón horizontal, la altura de 0.3 cm muestra la menor salida de carga comparada con estructuras de cordón horizontal de cuatro y cinco agujas con altura de 0.15 cm y 0.2 cm, respectivamente, que puede influenciarse por la baja rigidez de textiles de punto en gran distancia entre ambos extremos fijos. La convexa más alta es difícil de mantener arco con presión de fuerza y recuperar 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 estructuras convexas. Sin embargo, tales cordones de tipo forma reducen el área de contacto efectiva que es tipo línea que tiene pocas áreas que contacto real, disminuyendo el rendimiento de salida eléctrica.

Los bucles tienen estructuras irregulares, por lo que la evaluación de sus propiedades geométricas como tamaño de punto y forma superficial es desafiante. Para identificar la irregularidad de los bucles, la evaluación tradicional que es dimensión entera no puede utilizarse. La teoría fractal se sugiere para analizar la categoría de irregularidad en nuestro entorno y naturaleza. El concepto propuesto de dimensión fractal es una herramienta excelente para exhibir morfología compleja que presenta las reglas, complejidad y rugosidad de la superficie textil. Porque todos los fractales no son auto-similares completamente, el cálculo matemático se usa para argumentar la configuración geométrica. Para entender la superficie de estructura de punto, algunas imágenes visualizan la información llevada en Fig. 5d. Como se muestra en Fig. 5d, la característica de superficie convexa puede observarse intuitivamente desde diferentes perspectivas donde la evidencia para confirmar la morfología elevada está.

Figura 5. Curva de ajuste e imágenes visuales para textiles de punto. a) Estructura de canalé m*n. b) Estructura de canalé 2*m. c) Estructura de algunos cordones horizontales de aguja. d) Imágenes visuales desde diferentes aspectos

La superficie irregular se ha formado con la estructura de punto diseñada causada por la morfología de hilo y diseño de estructura. La geometría fractal es un cálculo eficiente para evaluar la superficie textil y entender la característica de estructuras de punto y capacidad de generación de carga triboeléctrica. De hecho, con el aumento de la unidad elevada, puede mejorar el textil de punto irregular debido a la forma superficial modificada. Aunque todos los textiles de punto propios estructuras convexas en dirección longitudinal y transversal, el grado de similitud aún no se confirma que es el valor de referencia significativo para si usar dimensión fractal exitosamente o no. Para estimar la factibilidad de dimensión fractal, todos los textiles de punto se calculan midiendo el ancho de la unidad convexa, el tamaño de bucles en longitud y ancho cuando textiles están en tamaño estable. Figura 5a, b y c muestran la curva de ajuste de dimensión fractal de telas nos. 1–10 tipo, y pendiente de una línea significa la dimensión fractal. La existencia de la relación se encuentra en estructuras convexas de los diez diferentes tipos de textiles de punto, lo que confirma la característica fractal de diez telas de punto. Por tanto, la teoría fractal aplicada en el análisis de diversidad de estructura de punto es practicable.

Figura 6a–f ilustra el Isc y Voc generados basados en aplicaciones prácticas de KNGs de trabajo contacto y separación, basados en tipos de estructura y tipos de forma. Hay una tendencia que disminuye con el aumento de unidad de punto sobre el Isc y Voc como se muestra en Fig. 6a–f. Esto es porque el Isc cambia con el área de contacto efectiva que es afectada por estructuras de punto.

Figura 6. Ilustración esquemática de dimensión fractal y Isc y Voc generados. a) Isc de canalé m*n. b) Voc de canalé m*n. c) Isc de canalé 2*m. d) Voc de canalé 2*m. e) Isc de tipo n. f) Voc de tipo n. g) Curva Df-transferencia de carga. h) Curva valor F

Al calcular la Df de varias estructuras de punto, la estructura de punto investigada establece que las diferentes estructuras de punto tienen un valor desigual que es dimensión no entera debido a los diferentes componentes de convexo como se demuestra en Fig. 6g. En Fig. 6g, esta es la imagen de la curva de transferencia de carga versus dimensión fractal de diversidad de estructuras. La estructura de canalé presenta rendimiento de salida deseable y la dimensión fractal cerca del valor de uno. Los TENGs basados en textiles de punto de tipo estructura tienen una transferencia de carga mayor que tipo forma y el valor de Df sobre tipo canalé m*n, tipo canalé 2*n y tipo n está en rango de 0–2, 0–1 y 1–2, respectivamente. Generalmente, la dimensión fractal simboliza el grado de rugosidad superficial que es la rugosidad aumentando con Df grande. Sin embargo, las telas de tipo forma se diseñan en cordón horizontal con pequeño área de contacto de línea, por lo que la rugosidad tiene poca influencia en la transferencia de carga.

Para demostrar la influencia en Df de convexidad de estructura de homogeneidad en estructuras de canalé, el largo de lado aleatorio se elige y calcula. El resultado exhibe como sigue: ε(a*b) = M(l*b); N = a/l, donde a es la longitud de toda la tela, b es el ancho de la unidad convexa e igual al ancho de toda la tela, l es la longitud de la unidad convexa, M es el número de unidad convexa, N es el múltiplo repetido de unidades auto-similares que es la longitud de unidades convexas a la longitud de muestras completas, y ε es la proporción de bucle frontal e inverso, significando la uniformidad de la distracción convexa.

Entonces, el cálculo de M y N puede usarse en la formulación (1-3), el resultado muestra que Df obtenido no es el mismo con Df calculado basado en la longitud de medición real como se muestra en Tabla 3. No importa cómo se distribuya la estructura elevada, el valor de Df es afectado por la longitud práctica y número de cordones.

Se nota que la dimensión fractal de la estructura de canalé 2*1 está cerca de la 1*1 alcanzando 0.99, y así, la transferencia de carga es muy similar como se muestra en Fig. 6g. El rendimiento de salida eléctrico generado muestra el más alto cuando Df está cerca del valor de uno. Eso ha proporcionado una suposición si la dimensión fractal puede evaluar la morfología superficial y caracterizar el rendimiento de salida. Para investigar la correlación de fractal y transferencia de carga, la diferencia entre la dimensión fractal y el valor de uno (llamado valor F) se ha ilustrado en Fig. 6h. Los resultados operativos muestran una tendencia que es disminución de valor F puede impulsar mucho mayor Voc, dando evidencia para aplicación potencial de dimensión fractal. Sin embargo, el valor F se considera como evaluación de estructuras de rugosidad, que necesita considerar las propiedades del bucle primario de la estructura. Luego, la influencia en transferencia de carga se discute comprensivamente. La muestra no. 4 y no. 6 tiene un valor F similar, pero existe diferencia masiva en ambos rendimientos de salida. La morfología superficial de no. 4 muestra estructura planar debido al mismo número de bucles frontales e inversos, por lo que la transferencia de carga es baja. Pero no. 6 tiene apariencia prominente debido a los bucles inversos sobre los puntos frontales y la gran transferencia de carga generada al contactar y separar. Por tanto, la selección y diseño de la estructura de punto del textil basado en el valor F mejoró grandemente la carga eléctrica total generada, que es requisito indispensable para construir un dispositivo flexible autoalimentado de alta efectividad basado en textiles de punto.

Conclusión

Hemos demostrado que el textil de punto con alta flexibilidad y excelente transferencia de carga puede aplicarse en TENGs flexibles para recolectar energía biomecánica irregular y de baja frecuencia, que posee un rendimiento de salida sobresaliente. Para identificar la relación entre morfología superficial y propiedad de salida, la teoría fractal se ha usado para cuantificar la geometría superficial y evaluar su influencia en la capacidad de transferencia de carga de apariencia superficial. Diferentes estructuras de punto se han fabricado que pueden analizar su impacto en recolección de energía. Desde el aspecto de la unidad de punto, el resultado muestra que la salida máxima de estructura de canalé 1*1 puede alcanzar 213 V con la unidad de punto mínima. Además, para comprender más el mecanismo de trabajo y la geometría de área de contacto, las varias estructuras de punto se han ilustrado en una dimensión fractal distinta de la dimensión tradicional. A través del cálculo, diferentes estructuras de punto con unidades de punto idénticas pueden usarse para obtener dimensión fractal con las mismas unidades de punto. La salida eléctrica generada puede aumentarse con la dimensión fractal cercana al valor de uno. Por tanto, la diferencia entre la dimensión fractal y el valor uno puede usarse en la evaluación de capacidad de transferencia de carga según la superficie irregular. En el futuro próximo, se espera que una evaluación para generar capacidad de salida basada en teoría fractal en la construcción de un nanogenerador triboeléctrico, obteniendo máximo rendimiento de salida para optimizar el sistema flexible autoalimentado para recolección de movimientos humanos residuales en nuestra vida diaria será investigada.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Todos los datos generados o analizados durante este estudio están incluidos en este artículo publicado.

Abreviaturas

E-skins:

Pieles electrónicas

IoT:

Internet de las Cosas

PDMS:

Polidimetilsiloxano

TENG:

Nanogenerador triboeléctrico

PTFE:

Politetrafluoroetileno

Df:

Dimensión fractal

CS:

Modo de trabajo contacto-separación

KNG:

Nanogenerador triboeléctrico basado en textil de punto

Voc:

Voltaje de circuito abierto

Isc:

Corriente de cortocircuito

Qsc:

Transferencia de carga

Valor F:

Diferencia entre la dimensión fractal y el valor de uno