课题组最新文章Unveiling the contact electrification of triboelectric fibers by exploring their unique micro- and macroscale structural properties在Materials Today期刊上发表。
详细链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702125000252?dgcid=author
研究背景
聚合物纤维具有高纵横比、大曲率、高柔软度和高运动自由度，是可穿戴电子产品的理想载体。通过将机电转换技术与传统纺织工艺相结合，可以赋予摩擦电纤维或织物的自主供电和自供电传感功能，同时保留了原有的穿着舒适度。材料、结构和环境都会影响接触起电。其中，结构是直接决定工作模式和有效接触面积的关键，与界面转移电荷密切相关。通常，聚合物纤维表面不光滑，存在许多不规则的微/纳米级缺陷，如凸起、凹陷、裂纹和毛羽。表面缺陷会影响机械感应局部电场的大小和分布。此外，摩擦电纤维的宏观结构至少由导电层和介电层组成。导电层和介电层的排列方式以及介电层的封装方式会对电输出性能产生很大影响。但是，微观和宏观结构效应对接触起电的影响规律和潜在机制仍然模糊，难以从结构角度实现高性能摩擦电纤维的定量设计。
表面电荷密度及其分布的高精度定量测量是深入探索摩擦电纤维对接触起电行为的基本方法。开尔文原子力显微镜(KPFM)和静电电压计分别被广泛用于测量微观和宏观尺度的表面电势分布。但是KPFM最高只能扫描10微米尺度的范围，对样品表面的光滑程度要求很高，测试难度相对较大。虽然静电电压表可以快速方便地检测宏观电位分布，但其精度受探头尺寸的限制，难以测量毫米尺度的电势分布。摩擦电纤维尺寸通常为毫米或亚毫米尺度，且表面不平整，曲率大。因此，需要新的策略来探索具有特殊结构的摩擦电纤维的接触起电行为。
文章概述
本工作通过结合定量实验测量和有限元分析方法，系统探讨了摩擦纤维表面微观结构缺陷和整体宏观结构组成对其接触起电行为的影响规律和潜在机制。通过3D打印方法在纤维表面可控地构建了四种类型的表面微观结构，包括凸起、凹陷、裂纹和毛羽。此外，研究了两种表面介电层的封装模式，包括螺旋卷绕和均匀涂层，以及导电层和介电层之间的两种组合模式，包括并列和芯鞘同轴排列。可以发现，由于局部应力集中引起的电荷富集，摩擦电纤维表面的微观结构缺陷有助于增加电荷转移量。纤维的曲面或微观结构引起的电荷积累则更易导致电荷耗散。与螺旋卷绕模式相比，均匀涂层模式可以实现均匀的应力分布和更大的有效接触面积，从而产生更均匀的电荷分布和更高的电荷密度。此外，同轴结构在增加内电极层和外介电层之间的有效接触面积方面比并联结构更有利，特别是对于低模量介电材料。综上所述，本工作从多尺度结构角度研究了摩擦电纤维的接触起电行为，这对研究具有复杂结构特性的器件的电荷转移机制具有重要的指导意义。
图文导读
图1.摩擦电纤维的微观结构和宏观结构效应。(a)具有各种表面微观结构缺陷的摩擦电纤维示意图。(b) 具有四种表面微观结构缺陷的摩擦电纤维的二维横截面图(左)、接触界面处表面电荷分布示意图(中)和模拟的相对电荷密度分布(右)。(c-d)摩擦电纤维的整体宏观结构组成，包括介电层的不同封装方式(c)以及介电层和导电层之间的不同组合方式(d)。(e-f)不同封装(e)和组合(f)方式的横截面图(左)、表面电荷密度分布(右上)和模拟的相对电荷密度分布(右下)。(g)不同XA下纤维-纤维接触分离时的实验转移电荷和电荷变化率。(h)不同载荷下纤维-纤维和薄膜-薄膜之间相对有效接触面积的变化趋势。插图是纤维-纤维和薄膜-薄膜的横截面图。(i)不同XB下纤维的实验转移电荷和电荷变化率。
图2.微尺度表面电荷密度分布表征方法。(a)建立表面应力分布和表面电荷密度分布之间函数相关性的流程图。(b)实验测得的表面电荷密度和压应力的函数曲线。(c)不同压缩应力下介电膜的实验平均表面电势。(d和e)不同压缩应力(包括 16、40、80和100 kPa)下介电膜的实验表面电势分布(d)和模拟电荷密度分布(e)。(f)递增载荷下实验和模拟转移电荷的比较。插图显示了导电纤维和介电纤维之间接触状态的变化。(g)不同载荷下接触界面横截面的模拟电荷密度分布。插图是坐标系的示意图。(h)大直径纤维(直径为20 mm)的截面表面电势分布。插图是测量大直径纤维表面电势的示意图。
图3.纤维结构和薄膜结构接触起电行为比较。(a)不同接触类型的横截面示意图，包括纤维-纤维、纤维-薄膜和薄膜-薄膜。(b)在高频(2.5 Hz)和低频(0.05 Hz)下三个接触类型之间的实验相对转移电荷的比较。(c和d)纤维-纤维、纤维-薄膜和薄膜-薄膜中介电层的横截面模拟应力(c)和模拟电荷密度分布(d)。(e)不同接触类型中介电层的实验表面电势分布。(f)连续接触分离、保持分离状态 5s 和保持接触状态 5s 下纤维-纤维、纤维-薄膜和薄膜-薄膜三个接触类型之间的实验相对转移电荷的比较。(g)薄膜-薄膜和纤维-纤维之间的表面电荷分布示意图(g1)以及保持接触状态和保持分离状态的电荷耗散途径(g2)。
图4.表面微结构缺陷对接触起电行为的影响。(a和b)具有不同表面微结构缺陷的摩擦电纤维的模拟电荷相对增量(a)和实验电荷增量(b)。(c)在接触中心处，有无凸起的摩擦电纤维的模拟电荷密度比较。插图是带和不带凸起的横截面示意图。(d-f)具有凸起的介电纤维的照片(d)、模拟应力分布云图(e)、横截面模拟应力和电荷密度分布(f)。比例尺为3 mm。(g和h)不同h/R0(g)以及θ角(h)的介电纤维的电荷相对增量。(i)具有不同凸起数的介电纤维的模拟转移电荷。插图是具有多个凸起的介电纤维的示意图。
图5.宏观结构组成对接触起电行为的影响。(a和b)在渐进载荷下螺旋卷绕介电层和均匀涂敷介电层之间的实验转移电荷(a)和模拟的有效接触面积(b)的比较。(a)中的插图是两种摩擦电纤维的照片和示意图。(b)中的插图是具有螺旋卷绕和均匀涂敷介电层的摩擦电纤维的横截面电荷分布示意图。比例尺为2 mm。(c和d)接触状态下螺旋卷绕(c)和均匀涂敷(d)摩擦电纤维的模拟应力分布。插图是坐标系的示意图。(e-f)芯鞘同轴结构和并列结构摩擦电纤维的实验转移电荷(e)和模拟的有效接触面积(f)。(e, g)具有高模量(e)和低模量(g)介电层的芯鞘同轴结构和并列结构摩擦电纤维的实验转移电荷中的比较。(e)中的插图是同轴和并列结构摩擦电纤维的示意图和照片。(f)中的插图是由高模量介电层制备的同轴和并列结构摩擦电纤维的形变示意图。比例尺为2 mm。(h)同轴和并列结构的摩擦电纤维的接触状态和应力分布。(i-k)不同结构参数下同轴结构摩擦电纤维的实验转移电荷和模拟的有效接触面积，结构参数包括导电纤维半径r3(i)、介电鞘层半径r4(j)和介电鞘层厚度d(k)。插图为具有不同结构参数的同轴结构摩擦电纤维的横截面照片。比例尺为 2 毫米。
结论
本文通过实验测量和有限元模拟相结合，详细探讨了摩擦电纤维表面微观结构缺陷和整体宏观结构组成对其接触起电行为的影响规律和潜在机制。基于应力与电荷密度之间的相关函数关系，提出了一种新的普适于所有尺度的表面电荷密度分布表征方法，该方法可以准确定量地观察摩擦电纤维微观结构处的电荷密度分布。弯曲纤维结构和平面薄膜结构之间接触起电行为的差异表明纤维-纤维的局部应力和电荷密度高于薄膜-薄膜。较大的电荷耗散主要来源于纤维接触点富集的电荷和及与导体的接触。不同的表面微观结构缺陷在接触过程中引起应力集中，导致感应电荷的局部积累，有利于提高整体转移电荷。以凸起为例，结构参数对接触起电行为的影响也已详细讨论。对于介电层的封装方法，涂层结构比螺旋卷绕结构具有更均匀的应力分布和更高的有效接触面积，因此具有更高的转移电荷。与并列结构相比，同轴芯鞘结构在高应力条件下具有更大的有效接触面积，因此具有更高的电荷转移能力。我们也对同轴摩擦电纤维的基本结构参数进行了定量测量和分析。
本工作重点研究了摩擦电纤维的特殊结构特性，提出了一种表面电荷密度分布的定量表征方法，阐明了宏观和微观结构对接触起电的影响规律和机制，不仅为探索复杂结构的接触起电行为提供了新的研究范式，也为从结构优化的角度设计高性能摩擦电纤维奠定了理论基础。
创新点和研究意义
1. 一种新的表面电荷密度分布表征方法
表面电荷密度及其分布的高精度定量测量是深入探究摩擦电纤维的微观和宏观结构对接触起电影响的基本方法。然而，常用的KPFM不适用于10微米以上级别的表面电势测量，而静电电压表受探头尺寸的限制，难以用于毫米或亚毫米级的电势测量。因此，缺乏一种有效的普适于所有尺度的电荷密度分布表征方法。在这项工作中，通过建立应力和电荷密度之间的函数关系，可以表征和可视化所有尺度的表面电荷密度分布，从而为探索具有复杂结构效应的摩擦电纤维提供基础研究方法。
2. 纤维和薄膜之间电荷转移和电荷耗散的定量比较
对纤维-纤维接触和薄膜-薄膜接触之间接触起电行为差异的定量分析和比较对于揭示摩擦电纤维的结构特异性非常重要。通过测量和模拟纤维-纤维、纤维-薄膜和薄膜-薄膜这三种接触模式的表面应力和电荷密度，发现纤维-薄膜的界面接触应力和转移电荷最高，其次是纤维-纤维，最后是薄膜-薄膜。此外，进一步测量和比较了在连续接触分离状态、保持5 s分离状态和保持5 s接触状态下的相对转移电荷。可以发现，较大的电荷耗散主要发生在纤维-纤维接触位置的电荷富集区（应力集中区）和与导体的接触区（电荷传输能力强）。
3. 系统探索几种表面微观结构缺陷及其基本参数对接触起电的影响
为了研究介电纤维表面微观结构缺陷对接触起电的影响，采用3D打印方法构建了四类微观结构缺陷（包括凸起、凹陷、毛羽和裂纹）。实验和仿真结果表明，由于有效接触面积的逐渐增加，四个缺陷的转移电荷随着加载力的增加而增加。给出了在渐进载荷作用下具有凸起缺陷的介电纤维与导电纤维接触界面的截面照片和模拟应力及电荷密度分布。此外，还系统地研究了凸起缺陷的结构参数。对微观结构缺陷影响的探索为介电层微观结构的精确设计奠定了理论基础。
4. 综合分析宏观结构组成及其结构参数对接触起电的影响
本文还详细探讨了摩擦电纤维的整体宏观结构组成，主要包括表面介电层的不同封装工艺（均匀涂敷和螺旋卷绕）和导电层和介电层的不同排列方式（芯鞘同轴结构和并列结构）。涂敷法的转移电荷比卷绕法大，因为涂敷方法的有效接触面积更大。在较大的载荷下，同轴结构的有效接触面积和界面电荷转移高于并列结构。详细讨论了同轴结构摩擦纤维的结构参数。研究宏观结构组成对接触起电行为的影响规律和潜在机制，为设计高性能摩擦电纤维提供了方法指导。