Analyse de la morphologie de surface d'un nanogénérateur triboélectrique basé sur une structure de tricot pour améliorer la charge de transfert

Introduction

Des techniques d'intelligence avancées ont balayé le monde et ont mis au point de nouveaux dispositifs portables intelligents flexibles, tels que des capteurs de suivi de la santé [1, 2], des dispositifs de détection de gestes [3,4,5,6], des skins électroniques (E-skins ) [7, 8], des circuits flexibles [9, 10] et des vêtements à fibres optiques [11, 12]. Cependant, avec les inconvénients du poids massique, du faible rendement de conversion, de la pollution environnementale grave et de la courte durée de vie de la batterie, le supplément de puissance est l'énorme limitation pour le développement de l'électronique. Depuis que le premier nanogénérateur triboélectrique (TENG) a été développé avec succès en 2012 [13], basé sur la caractéristique de matériaux à petite échelle, légers, divers, sûrs, environnementaux [14] et à haute efficacité, il a fourni une solution prometteuse et efficace. stratégie pour aborder les détroits ci-dessus. Parallèlement à l'avènement rapide des TENG fonctionnant grâce à un effet couplé d'électrification de contact et d'induction électrostatique [15], il s'est avéré être une approche souhaitable pour obtenir de la puissance mécanique [16, 17] de notre environnement, en particulier en récoltant des fréquences basses et irrégulières. mouvements (y compris le vent [18, 19], la goutte d'eau et le mouvement humain, l'énergie biomécanique, etc. [20,21,22]), réalisant des transmissions de données [23,24,25] et un supplément de puissance dans l'Internet des objets (IoT) [26]. Pour les appareils portables, les textiles sont considérés comme le meilleur substrat, en raison de leur rétention structurelle et de leur résistance à la fatigue, de leur douceur, de leur intégration et de leur porosité élevée. À ce jour, l'intégration d'un nanogénérateur triboélectrique et d'un textile traditionnel [27,28,29,30,31,32,33] est l'un des candidats prometteurs pour les dispositifs portables orientés vers l'homme, tels que les capteurs flexibles auto-alimentés [34] , les récupérateurs d'énergie portables et les systèmes de stockage d'énergie à base de textile. Il est également doté de textiles conventionnels de fonctionnalité, d'intelligence et d'une forte valeur ajoutée. Ces appareils électroniques basés sur le textile sont satisfaits de l'exigence de légèreté, peu coûteux, confortable, respirant, portable, durable et lavable pour un usage de routine. De plus, il est facile de fabriquer des textiles avec des couleurs variables et des motifs abondants qui représentent un attrait pour les textiles intelligents. En particulier, les textiles tricotés avec une faible contrainte et une grande déformation sont sensibles à la génération de signaux et sont donc idéaux pour être utilisés pour les capteurs flexibles, surmontant la résistance au mouvement et réduisant les pertes d'énergie [35]. De plus, les frottements et les déformations du textile tricoté sont des phénomènes courants qui sont une opinion passionnante pour la construction d'un nanogénérateur triboélectrique.

Comme nous le savons tous, la modification de la morphologie de la surface est une approche significative pour améliorer les performances de sortie des TENG [36,37,38,39]. La plupart visent à augmenter la surface de contact disponible et la rugosité de la surface. Il existe deux méthodes principales qui modifient la morphologie de la surface, l'une étant la gravure de surface, l'autre étant la réplication de surface. Cependant, l'utilisation d'une zone de traitement limitée très coûteuse et d'une technique de fabrication en plusieurs étapes pour générer un aspect de surface est difficile pour la production industrielle. Ici, Li et al. [40] ont étudié un film de polydiméthylsiloxane (PDMS) avec des microstructures de surface décollées du papier de verre, ce qui était une méthode à un processus et à faible coût pour préparer la différence de rugosité de la surface. Les résultats expérimentaux ont montré la sortie maximale générée de 46,52 V sous la classe de rugosité de 3000 détectée par un profil de surface optique 3D. En outre, un trop grand nombre de microstructures peut réduire considérablement la surface de contact efficace et entraîner une réduction de la capacité de performance énergétique. La taille des TENG était limitée par la surface du papier de verre, ce qui a conduit à augmenter le coût de fabrication. De nos jours, les structures textiles reçoivent une attention croissante en raison de la formation d'aspects de surface abondants [38] sans le processus de fabrication complexe et le coût élevé. Pour bien comprendre l'apparence des surfaces textiles, certains facteurs doivent être pris en compte en termes de composants uniques et de caractéristiques de structure, notamment les perspectives de fil, les paramètres physiques du textile et les structures de tricot. Ensuite, Kwak et al. [41] ont étudié la zone de contact de trois structures (y compris des structures en tissu simple, double et nervuré) pendant l'étirement et ont discuté de la contribution à l'amélioration du potentiel. Cela valait la peine que le tissu côtelé puisse être tendu jusqu'à 30%, élargissant la zone de contact à 180 cm ² . En fonction de la région médiane existante, le tissu nervuré peut être largement étiré, ce qui peut obtenir un potentiel plus élevé d'augmentation de la zone de contact. En tant qu'élément principal de la structure textile, la caractéristique des boucles a été analysée qui était également le facteur significatif pour influencer l'apparence de la surface. Huang et al. [42] se sont concentrés sur l'effet des paramètres de base du textile (y compris les jambes de boucle, les platines de boucle et la densité du textile) pour confirmer la différence sur les performances de sortie. Le nanogénérateur triboélectrique à base de tissu à grande densité de points pourrait générer une énergie électrique plus élevée avec une densité de puissance de crête maximale de 203  mW m ⁻² à 80 MΩ, ce qui fait une plus grande surface de contact efficace. Le résultat a montré que les morphologies de surface de diverses structures de tissu avaient une influence sur la capacité de sortie électrique. Afin de récolter beaucoup plus d'énergie pour prolonger la durée de vie, des textiles 3D à points interlock double face [43] ont été tricotés à plat à double aiguille, qui présentaient les mêmes performances de sortie sur le devant et le dos. De plus, les TENG basés sur la structure textile tridimensionnelle pourraient générer une densité de puissance élevée de 3,4 mW m ⁻² à la résistance externe de 200 MΩ, démontrant que la capacité de récupération d'énergie a été améliorée. Cependant, les apparences de surface mentionnées ci-dessus ont peu de description de la forme géométrique de la surface, et les facteurs concernant la charge de transfert générée souffrent toujours d'un manque d'explications spécifiques. Il n'y a pas de manière universelle qui puisse caractériser l'aspect de surface, qui doit trouver une évaluation de la morphologie irrégulière. Par conséquent, c'est la limitation pour bien comprendre la charge de transfert sur le nanogénérateur triboélectrique actuellement.

Le but de l'analyse de surface est de caractériser les structures géométriques des textiles, qui peuvent être testées dans deux approches de méthode de contact et de méthode optique [44]. La méthode de contact permet de bien décrire la morphologie de la surface, mais le temps nécessaire est beaucoup plus long, et l'aiguille laisse une trace sur la surface. Par rapport à la méthode de contact, avec les avantages d'un temps de mesure court, d'une faible surface de harnais et d'une détection facile, la méthode optique a été utilisée pour détecter la rugosité de surface. Cependant, les faux écarts et le niveau élevé de bruit peuvent réduire le jugement de la morphologie réelle de la surface.

L'outil mathématique est une analyse théorique qui peut être utilisée pour quantifier l'étendue de la rugosité de la surface. C'est une nouvelle approche pour évaluer la surface irrégulière. Avec une surface aussi inégale, la méthode mathématique conventionnelle de la géométrie euclidienne ne peut pas être utilisée car il est vraiment difficile de juger de la dimension géométrique quantitative et de la précision des mesures, telles que la longueur du segment et le poids de l'objet. Cependant, la géométrie fractale, une approche nommée par Mandelbrot pour décrire les structures irrégulières, a été fournie pour résoudre le problème et définir l'irrégularité dans la nature [45], comme les propriétés physiques des mousses [46] et l'évaluation de la douceur du tissu [47] . Presque toutes les surfaces rugueuses peuvent être divisées en des parties auto-similaires qui peuvent être représentées par une dimension non intégrale, appelée dimension fractale (D _f ). Sur la base des différentes surfaces géométriques, la valeur de D _f doit être pris en compte et analysé qui a un effet sur la rugosité et la zone de contact efficace dans la conception d'un nanogénérateur triboélectrique, optimisant la capacité de conversion des mouvements humains en électricité.

Ici, dans ce travail, nous présentons les différentes morphologies de surface basées sur des structures tricotées qui sont adoptées comme l'une des couches diélectriques. Le TENG à base de textile tricoté a été fabriqué en utilisant des fils commerciaux et une machine à tricoter industrielle, qui peuvent réaliser la production à grande échelle et les applications pratiques. Pour imiter le mouvement de la main battante, les TENG sont conçus dans le mode de travail à contact séparé (CS) qui est le mécanisme de travail le plus simple. Les structures tricotées sont formées selon deux types d'approche, y compris une morphologie de surface convexe-concave à base de structure et de forme. En raison de la diversité des structures tricotées, les apparences de surface résultantes peuvent être systématiquement étudiées et analysées pour confirmer la relation entre la morphologie de la surface et les structures tricotées. Le D_f de chaque tissu peut être calculé grâce au principe fractal approprié, en évaluant la rugosité de la surface du tissu. La charge de transfert maximale de l'apparence de surface dans la nervure 1*1 peut atteindre jusqu'à 91,66 nC par mouvement de battement et de relâchement, ce qui permet d'obtenir la dimension fractale de 0,99. Et un phénomène intéressant montre qu'avec la valeur de D _f fermant au numéro un, les frais de transfert peuvent être plus élevés. Enfin, l'utilisation de la théorie fractale et des structures tricotées peut fournir une méthode efficace d'évaluation quantitative de la charge de transfert et devrait aider à concevoir les TENG à base de textile tricoté avec plus d'efficacité, une production industrielle et un coût peu coûteux.

Matériaux et méthodes

Matériaux

Les fils de nylon (dtex 600, AnTong KeJia Textile fiber products Co., Ltd.) qui étaient couramment disponibles tricotés en deux types de textiles côtelés et de tissus convexes avec une jauge de 15 (aiguille/pouce) sur l'ensemble de la machine à vêtement (SHIMA Seiki Co., Japon). Le film de polytétrafluoroéthylène (PTFE) d'une épaisseur de 0,05 cm (Chenqi Electrical Technique Co. Ltd.) est utilisé. L'électrode courbée et torsadée est une feuille de cuivre commerciale (Shenzhen Biaozhitape Co. Ltd) d'une épaisseur de 0,06   mm collée au dos du textile tricoté pour transférer la charge polarisée.

Fabrication des tissus tricotés et du nanogénérateur triboélectrique à base de textile tricoté

La technique de la trame en tant que méthode de tricotage représentative peut facilement conférer aux tissus une haute extensibilité [48], un faible coût et des performances esthétiques. Avec les avantages du tricotage en position, les textiles électriques peuvent être intégrés dans les vêtements sans techniques de couture supplémentaires. Il existe dix textures convexes-concaves conçues qui sont représentées dans le tableau 1. Pour démontrer la relation entre la morphologie de surface et la charge de transfert, des cordons de longitude et transversaux sont tricotés sur la surface du textile. Ainsi, dix textures différentes sont représentées dans le tableau 1, dans lequel les sept premiers échantillons présentent une corde longitudinale sur la surface, et les apparences de surface du no. 8, non. 9, et non. 10 sont transversales convexes. Ici, les structures sont tricotées par une machine à tricoter rectiligne informatisée qui convient à un processus industriel à haut rendement, et les textiles sont capables d'adapter l'échelle personnalisée. Via le propre système de conception, les tissus peuvent être conçus rapidement et préparés facilement, en particulier pour la conception de motifs complexes. Tous les tissus doivent être laissés pendant 24 h dans les conditions atmosphériques standard pour détendre le tissu jusqu'à l'état de taille stable, qui visent à réduire l'influence du rétrécissement de relaxation et à améliorer le résultat de la précision des tests. Ensuite, la même taille de ruban conducteur a été collée au dos des textiles. Basé sur les nanoparticules hautement polarisables, le film en PTFE a été adopté comme autres matériaux diélectriques. Le film est toujours collé à un morceau de feuille de cuivre, transférant la migration des électrons. Comme pour le CS, des fils conducteurs ont été connectés à deux modèles à friction, qui se déplacent dans le sens vertical. Ensuite, les TENG textiles à base de CS ont été fabriqués.

Caractères fractals des tissus tricotés

Tous les objets naturels n'ont pas une forme et des limites régulières incomplètes, y compris le littoral, le flocon de neige, les nuages ​​et les feuilles. Par conséquent, la dimension fractale est utilisée pour décrire la morphologie inégale générée par différentes méthodes, qui est une méthode efficace identifiée dans de nombreux travaux de recherche. Il existe plusieurs formulations définies comme dimension fractale, y compris la dimension de Hausdorff, la dimension de la boîte de comptage et la dimension similaire et al., qui est le paramètre crucial pour quantifier le style de la surface. La dimension fractale typique était la courbe de Kohn comme un flocon de neige, qui a été présentée pour la première fois en 1904. La zone délimitée par trois auto-similitudes avec l'infini est restreinte, appelée courbes de Kohn, dont la dimension fractale est de 1,2618. Généralement, la dimension fractale peut être calculée par l'échelle a, qui indique la longueur, la largeur et la surface. La formule suivante peut présenter la relation :

où D _f est la dimension fractale qui est présentée dans la pente d'un tracé log-log.

La dimension fractale de la surface inégale, D _f , peut être déterminé dans une approche de la dimension de Hausdorff qui est basée sur l'analyse de la taille relative d'une unité similaire. En tant que facteur de formation de la surface du cordon, le district convexe qui comprend plusieurs unités de structure micro-convexe avec des bords et un nombre différents peut être exprimé comme suit :

où M est le numéro de l'unité convexe, N est les multiples unités auto-similaires répétées qui sont la longueur des unités convexes à la longueur des échantillons entiers, et D _f est la dimension fractale des structures surélevées. L'équation est un modèle qui peut être utilisé pour prédire la morphologie de la surface, donc :

Caractérisation

Le microscope numérique Dino-lite edge (AnMo electronic corporation) a été utilisé pour mesurer la densité des tissus tricotés à partir d'images photographiques. Les signaux électriques du nanogénérateur triboélectrique en tissu tricoté en mode de contact et de séparation ont été exploités par un moteur de revêtement auto-assemblé et un électromètre (système Keithley 6514) basé sur le système LabVIEW.

Résultats et discussion

Afin de confirmer les matériaux de friction, l'ordre triboélectrique [49] est la référence significative, qui a quantifié la polarisation triboélectrique de différents matériaux communs. L'ordre triboélectrique présente qu'un côté montre un gain de capacité de charge et que l'autre côté possède une grande capacité à perdre des électrons, qui ont été définis comme la performance fondamentale du matériau. Pour obtenir des performances de sortie exceptionnelles, quelques matériaux sont sélectionnés qui doivent être attribués à la série triboélectrique avec une distance considérable, augmentant la différence de potentiel. Ici, l'un est la résistance à l'abrasion commerciale, à faible coût, excellente et à tendance fortement chargée positivement (nylon) et l'autre présente une tendance à charge négative (PTFE). Dans ce travail, nous avons sélectionné la membrane PTFE sans aucun traitement en surface. Ici, le seul facteur est constitué de structures tricotées qui peuvent être analysées par la performance de transfert de charge. Un autre élément critique est le matériau de l'électrode qui est une feuille de cuivre à haute flexibilité, qui peut être collée directement, c'est un processus de fabrication simple et en une étape. Comparé au métal précieux de l'argent et de l'or, le prix de la feuille de cuivre est bon marché et peut être utilisé pour fabriquer des produits économiques. Le cuivre a donc été largement utilisé comme circuits et électrodes flexibles dans la conception d'appareils intelligents.

À l'heure actuelle, il existe quatre TENG universels fonctionnant en mode de fonctionnement correspondant aux différentes structures et mouvements d'électrodes. Avec les avantages d'une fabrication facile, la sélection abondante de matériaux, les mouvements de direction verticale alternatifs, les CS TENG sont les premiers étudiés en profondeur qui ont la capacité potentielle de récolter une certaine énergie biomécanique, telle que le battement des mains, la marche et la course. Ici, afin d'étudier le principe d'influence des structures de surface, des nanogénérateurs triboélectriques à base de textile tricoté (KNG) ont été conçus, correspondant au contact et à la séparation entre le tissu en nylon et le film PTFE. Le processus d'assemblage du nanogénérateur triboélectrique est présenté sur la figure 1a, composé de tissus tricotés, d'une membrane PTFE et d'une feuille de cuivre. La polyvalence du tricot flexible en termes de capacité de frisage (Fig. 1 bi), de pliage (Fig. 1 bii), de drapage (Fig. 1biii) et de pliage (Fig. 1biv) dans toutes les directions est adaptée à différentes échelles représenté sur la figure 1b. Les KNG peuvent être conçus en fonction des exigences de la position d'application et de l'esthétique des vêtements. La diversité des structures tricotées a été tricotée avec différents aspects de surface, puis ces photographies de la surface textile ont été montrées sur la figure 1c.

Préparation schématique, caractéristique de KNG, et structure tricotée. un Processus de fabrication de KNG. b Images de KNG sous diverses déformations. je, serti; ii, courbé; iii, drapé; iv, plié. c Toutes les structures tricotées fabriquées, du numéro 1 au 10

Le mécanisme de fonctionnement des KNG est simplement présenté sur la figure 2a. Pour mesurer la charge de transfert, la distance maximale et la fréquence des mouvements du moteur linéaire sont fixées à 10 cm et à 0,3 Hz pour simuler les mouvements des mains battantes, respectivement. Comme pour la surveillance commune, la tension en circuit ouvert (Voc), le courant de court-circuit (Isc) et la charge de transfert (Qsc) sont mesurés par un moteur linéaire mécanique. Dans l'état d'origine (Fig. 2 ai), le textile en nylon produisait des charges positives et le film PTFE était chargé de charges négatives en raison de l'induction électrostatique et de la conservation des charges. Lorsque l'appareil a été pressé (Fig. 2 aii), un rétrécissement de l'espace entre les deux surfaces de contact entraînera l'accumulation de charges positives dans l'électrode collée sur le PTFE. Les électrons s'écoulent du circuit externe pour équilibrer la différence de potentiel. Il convient de noter que la quantité équivalente d'électrons peut être maintenue à la surface de la zone de contact car les deux matériaux diélectriques sont des isolants (Fig. 2 aiii). Au fur et à mesure que le PTFE recule (Fig. 2aiv), le processus s'inverse et l'équilibre électrique s'obtient à nouveau entre le textile nylon et le PTFE, traduisant la neutralisation des charges. Par conséquent, les électrons reflueront pour les différences de potentiel électrique. Dans cette situation, les KNG pourraient générer Isc et Voc, qui ont une caractéristique de changement périodique, illustrée aux Fig. 2 b et c. Sur les figures 2b et c, l'encart est un graphique agrandi qui est décrit en un cycle.

Mécanisme de travail électrique et performances de sortie de KNG. un Mécanisme de fonctionnement de KNG utilisant un contact en tissu de nylon avec un élément en PTFE. b Voc de KNG et image agrandie pendant un cycle. c Isc de KNG et image agrandie d'un cycle

Afin de fabriquer des structures convexes sur la surface textile, il existe deux types de méthodes utilisées, y compris la conception de la structure et la formation de la forme, comme le montre la figure 3. La conception de la structure dépend de la proportion différente des points de boucle du visage et de l'inverse. points de boucle. Les échantillons totaux sont conçus en sept types de côtes, y compris le type de m*n (m =n =1, 2, 3, 4) dans la Fig. 3a et 2*m (m =1, 2, 3, 4) illustré à la Fig. 3b. La nervure a un aspect de cordon vertical en raison des montants de boucle de face qui ont tendance à se déplacer au-dessus et devant les montants de boucle inversés ; ensuite, la hauteur maximale du cordon peut arriver à 0.2 cm. La côte de m*n (m =n =1, 2, 3, 4) peut être équilibré par des rangées de boucles de visage alternées de chaque côté, de sorte qu'il repose à plat sans boucle après la confection. Et les deux côtés du textile ont le même aspect que celui représenté sur la figure 3e. Cependant, les différentes proportions de boucles frontales et inversées dans les structures de côtes de 2 * m, il existe une surface de distinction, comme le montre la figure 3f. De plus, le processus d'étirement du tissu côtelé est divisé en deux étapes, y compris les mailles inversées qui s'enchevêtrent des deux côtés jusqu'à ce qu'elles soient étirées pour révéler les mailles à boucle inversée entre les deux, puis des boucles entières sont étirées sur deux fois plus large qu'un équivalent tissu unique. Par conséquent, par rapport aux tissus unis, les textiles côtelés ont le potentiel d'augmenter la capacité d'étirement pour la récolte des mouvements de battement et d'étirement (sens transversal et longitudinal) pendant le mode de travail contact-séparation. L'autre méthode pour établir une structure surélevée est la déformation de forme dans laquelle la couche d'air est formée à la surface du n (n =4, 5, 6) textile illustré à la Fig. 3c. L'épaisseur de la section transversale est comprise entre 0,15 et 0,3 cm. La caractéristique de la couche d'air est une structure en arc proéminente qui peut fournir un espace pour accélérer la séparation des électrons lors du déclenchement des mouvements. Avant tout mentionné, les textiles tricotés sont conçus à l'aide d'une machine plate informatisée qui peut réaliser la précision de l'emplacement de tricotage, formant l'ensemble du vêtement et intégrant parfaitement des matériaux intelligents dans le tissu. Une telle nomenclature de technique de tricotage a été marquée sur la figure 3d qui décrit correctement les caractéristiques de la structure.

Caractéristiques schématiques et composants des structures tricotées. un Caractéristiques de la côte m*n. b Caractéristiques de la nervure de 2*m. c Caractéristiques de certains cordons horizontaux à aiguilles. d Nomenclature des techniques de tricotage. e Image de la face avant et de la face arrière dans la structure des côtes 1*1. f Image du recto et du verso en structure côte 2*1

Des travaux antérieurs [42] ont démontré la surface de contact effective du côté face qui était bien plus importante que l'envers du textile; Le résultat en frais de transfert était deux fois plus élevé que les performances de sortie de la face arrière. C'est parce que la longueur de la boucle d'aiguille était plus longue que la boucle de plomb. Par conséquent, pour améliorer les performances de sortie et pour créer un seul facteur d'influence, les structures à contact élevé se composent de boucles latérales. Les sorties des KNG en fonction du nombre d'unités convexes sont tracées sur la figure 4. Une tendance à la baisse où la zone de contact de tous les textiles expérimentés a diminué avec le nombre d'unités surélevées s'est formée. De plus, les charges électriques les plus importantes sont dans l'ordre séquentiel de la côte 1*1, de la côte 2*1 et de quatre structures de type aiguille (le premier point de chaque ligne) avec les valeurs de 91,66 nC, 90,19 nC et 69,64 nC, respectivement.

Les performances de sortie ont changé en fonction du numéro de l'unité convexe

Ensuite, la structure tricotée avec la morphologie de surface différente dans les aspects de la diversité, la densité des parois, le nombre d'unités de face et les structures sont étudiées. Tous les paramètres de dix types de textiles tricotés sont testés et enregistrés dans le tableau 2. Notamment, la densité de cours est toujours constante parce que l'apparence du cordon a augmenté le long de la direction verticale lors de l'analyse des échantillons n° 1 à 7. Ainsi, la densité des baleines en tant que facteur principal à discuter fait référence aux caractéristiques des différentes structures de tricot. Il est évident que la boucle frontale et la boucle inversée ont la même proportion dans les n° 1 à 4, environ 50 %. Ces textiles présentent les mêmes structures quelle que soit la face ou l'envers sur la base du tricotage double point. L'épaisseur moyenne est plus élevée par rapport aux échantillons nos. 5–7 qui se compose d'un nombre différent de points de face et de points de réserve. N° de texture 4 possède la plus grande unité de répétition que sa densité de baleines est deux fois plus grande que no. 1. Cependant, le nombre d'unités de face sur le tissu pratique est près de la moitié en baisse par rapport à non. 1. C'est parce que les boucles les plus plombées sont étirées les unes avec les autres afin que l'apparence de la colonne puisse être formée. Avec l'augmentation de l'unité tricotée, le diamètre de la colonne et l'épaisseur des tissus sont agrandis, ici, diminuant le nombre d'unité côté face et la zone de contact efficace lors du déclenchement des mouvements. En termes de structure de nervure avec différentes proportions de face et de boucle inversée, l'apparence présente évidemment la caractéristique d'une structure à face unique, avec une augmentation des unités de répétition tricotées. Pendant ce temps, la densité de baleine de no. 7 est aussi grand que non. 1 et non. 5, mais le nombre d'unités de boucle de visage a des différences distinctives en raison du nombre d'unités tricotées est de six boucles qui sont bien plus que pas. 1 (2 boucles) et non. 5 (3 boucles), donc les performances de sortie sont inférieures à celles du no. 1 et non. 5. En conséquence, le tricot côtelé no. 1 représente le plus grand nombre d'unités de boucle de visage dans les nos. 1-10 pendant les mouvements de contact-séparation.

De l'autre côté, le textile tricoté de type forme a été conçu à travers le nombre différent de boucles s'assemblant dans l'ensemble du tissu, formant des structures en arc. Du fait que la direction de la longueur du cordon est horizontale, la densité des colonnes du tissu montre une stabilité approximative dans la direction transversale. La structure en arc fournit une approche pour séparer la charge sur la surface, qui a un espace intérieur creux. Ainsi, l'efficacité de la récupération de l'énergie gaspillée du mécanisme a été améliorée. Généralement, afin d'améliorer les performances de sortie, un type d'arc est composé de matériaux flexibles avec une élasticité et une durabilité parfaites, tels que des substrats en silicium, mais il est difficile à tricoter dans une machine à tricoter industrielle pour répondre aux exigences commerciales. Lorsqu'il s'agit de voir que la structure de la voûte est basée sur le textile tricoté dans les recherches précédentes [24, 41, 50], la construction doit être cousue ou scotchée, ce qui est un processus complexe et long. Nous avons présenté un textile tricoté en arc qui est préparé à travers toute la technique de formage sans deuxième fabrication qui confère une grande efficacité de production. Parmi les structures de corde horizontales, la hauteur de 0,3 cm montre la sortie de charge la plus faible par rapport à la structure de corde horizontale à quatre aiguilles et à cinq aiguilles avec une hauteur de 0,15 cm et 0,2 cm, respectivement, qui peut être influencée par la faible rigidité des textiles tricotés dans une grande distance entre les deux extrémités fixée. La forme convexe la plus élevée est difficile à maintenir avec une force de pression et à récupérer une forme vierge, ce qui conduit à la neutralisation de certaines charges. En conséquence, la diminution de la hauteur de la voûte peut améliorer la tolérance des structures convexes. Cependant, de tels cordons de type forme réduisent la zone de contact efficace qui est un type de ligne qui a peu de zones que le contact réel, diminuant les performances de la sortie électrique.

Les boucles ont des structures irrégulières, de sorte que l'évaluation de leurs propriétés géométriques telles que la taille des points et la forme de la surface est difficile. Pour identifier l'irrégularité des boucles, l'évaluation traditionnelle qui est une dimension intégrale ne peut pas être utilisée. La théorie fractale est suggérée pour analyser la catégorie d'irrégularité dans notre environnement et dans la nature. Le concept proposé de dimension fractale est un excellent outil pour présenter une morphologie complexe qui présente les règles, la complexité et la rugosité de la surface textile. Parce que toutes les fractales ne sont pas complètement auto-similaires, le calcul mathématique est utilisé pour argumenter la configuration géométrique. Afin de comprendre la surface de la structure tricotée, certaines images visualisent les informations portées sur la figure 5d. Comme le montre la figure 5d, la caractéristique de la surface convexe peut être observée intuitivement à partir de différentes perspectives où se trouvent les preuves pour confirmer la morphologie surélevée.

Courbe d'ajustement et quelques images visuelles pour tricoter des textiles. un La structure des côtes m*n. b La structure nervurée de 2*m. c Une certaine structure de corde horizontale d'aiguille. 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:

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. Mais non. 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.

Conclusion

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.

Disponibilité des données et des matériaux

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

Abréviations

E-skins:

Electronic skins

IoT:

Internet of Things

PDMS :

Polydiméthylsiloxane

TENG :

Nanogénérateur triboélectrique

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