Amélioration du transfert de charge dans les nanogénérateurs triboélectriques à structure tricotée via l'analyse de morphologie de surface

Résumé

La récupération d'énergie biomécanique perdue offre une approche prometteuse pour améliorer l'alimentation des dispositifs portables et prolonger leur durée de vie. La morphologie de surface est un facteur significatif pour améliorer les performances de sortie des nanogénérateurs triboélectriques ; cependant, il existe une limitation pour évaluer la morphologie de surface et son impact sur la génération d'énergie. Pour évaluer la relation entre la morphologie de surface et le transfert de charge, une théorie mathématique, la géométrie fractale, a été proposée pour analyser les caractéristiques de morphologie de surface irrégulière. Cette théorie a fourni une bonne compréhension de la surface de contact et de la rugosité de la surface. Nous avons conçu trois catégories de structures tricotées avec aspect de cordon en utilisant une machine à tricoter à plat et analysé leurs caractéristiques de surface. Parallèlement, les structures géométriques peuvent être démontrées par la dimension fractale pour évaluer les performances de sortie générées lors du contact et de la séparation. La présente recherche montre qu'avec l'augmentation du nombre d'unités tricotées, la performance de génération d'énergie triboélectrique continue de diminuer en raison de la diminution de la surface de contact disponible. Après calcul de la dimension fractale de différentes structures tricotées, les structures en côte m*n montrent un transfert de charge élevé lorsque la dimension fractale est proche du nombre un, en particulier la dimension fractale de la structure en côte 1*1 qui peut atteindre 0,99. La théorie fractale peut être utilisée comme approche pour évaluer l'influence sur la performance de sortie de la morphologie de surface irrégulière, sans rapport avec la distraction d'unités convexes uniformes. Le résultat de cette recherche démontre également la faisabilité d'un nanogénérateur triboélectrique à base de tricot pour récupérer l'énergie biomécanique afin d'alimenter des appareils électroniques portables intégrés dans les vêtements.

Introduction

Les techniques d'intelligence avancée ont envahi le monde et ont fait émerger de nouveaux dispositifs portables intelligents et flexibles, tels que les capteurs de suivi de santé, les dispositifs de détection de gestes, les peaux électroniques (E-skins), les circuits flexibles et les wearables à fibres optiques. Cependant, avec les inconvénients de poids massif, faible efficacité de conversion, pollution environnementale sérieuse et courte durée de vie de la batterie, l'alimentation électrique est la limitation énorme pour le développement de l'électronique. Depuis le premier nanogénérateur triboélectrique (TENG) développé avec succès en 2012, basé sur ses caractéristiques de petite échelle, légèreté, matériaux variés, sécurité, vertus environnementales et haute efficacité, il a fourni une stratégie prometteuse et efficace pour résoudre les problèmes ci-dessus. Avec l'avènement rapide des TENGs fonctionnant par un effet couplé d'électrification par contact et d'induction électrostatique, il a été confirmé comme une approche désirable pour obtenir de l'énergie mécanique de notre environnement, notamment en récupérant des mouvements de basse fréquence et irréguliers (vent, gouttes d'eau, mouvement humain, énergie biomécanique, etc.), réalisant des transmissions de données et l'alimentation dans l'Internet des Objets (IoT). Pour les dispositifs portables, les textiles sont considérés comme le meilleur substrat, en raison de leur rétention structurelle, résistance à la fatigue, douceur, intégration et haute porosité. À ce jour, l'intégration d'un nanogénérateur triboélectrique et de textiles traditionnels est l'un des candidats prometteurs pour les dispositifs portables orientés vers l'humain, tels que les capteurs flexibles auto-alimentés, les récupérateurs d'énergie portables et les systèmes de stockage d'énergie à base de textiles. Cela confère également aux textiles conventionnels fonctionnalité, intelligence et haute valeur ajoutée. Ces dispositifs électroniques basés sur le textile satisfont aux exigences de légèreté, faible coût, confort, respirabilité, portabilité, durabilité et lavabilité pour une utilisation quotidienne. De plus, il est facile de fabriquer des textiles avec des couleurs variables et des motifs abondants qui représentent l'attractivité pour les textiles intelligents. En particulier, les textiles tricotés avec une faible contrainte et une grande déformation sont sensibles à la génération de signal, ce qui les rend idéaux pour les capteurs flexibles, surmontant la résistance au mouvement et réduisant les pertes d'énergie. De plus, les frottements et déformations des textiles tricotés sont des phénomènes courants qui constituent une opportunité passionnante pour construire un nanogénérateur triboélectrique.

Comme nous le savons, la modification de la morphologie de surface est une approche significative pour améliorer les performances de sortie des TENGs. 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 surface : la gravure de surface et la réplication de surface. Cependant, l'utilisation de techniques de fabrication multi-étapes, à zone de traitement limitée et très coûteuses pour générer l'apparence de surface est difficile pour la production industrielle. Ici, Li et al. ont étudié un film de polydiméthylsiloxane (PDMS) avec des microstructures de surface décollées du papier de verre, qui était une méthode à un processus et à faible coût pour préparer différentes rugosités de surface. Les résultats expérimentaux ont montré une tension de sortie maximale générée de 46,52 V sous la classe de rugosité 3000 détectée par un profileur optique 3D de surface. En outre, trop de microstructures peuvent diminuer sévèrement la surface de contact effective et entraîner une réduction de la capacité de performance énergétique. La taille des TENGs 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'apparences de surface abondantes sans processus de fabrication complexe et à coût élevé. Pour bien comprendre les apparences de surface textiles, certains facteurs doivent être considérés en termes de composants uniques et de caractéristiques structurelles, y compris l'aspect du fil, les paramètres physiques du textile et les structures tricotées. Ensuite, Kwak et al. ont étudié la surface de contact de trois structures (structures de tissu uni, double et côte) pendant l'étirement et discuté la contribution pour améliorer le potentiel. Il vaut la peine de noter que le tissu en côte peut être étiré jusqu'à 30 %, agrandissant la surface de contact à 180 cm². Selon la région centrale existante, le tissu en côte peut être largement étiré, ce qui permet d'obtenir un potentiel plus élevé pour augmenter la surface de contact. En tant qu'élément principal de la structure textile, la caractéristique des boucles a été analysée, ce qui était également le facteur significatif pour influencer l'apparence de surface. Huang et al. se sont concentrés sur l'effet des paramètres de base du textile (y compris les jambes de boucle, les enfonceurs de boucle et la densité du textile) pour confirmer la différence sur la performance de sortie. Le nanogénérateur triboélectrique à base de tissu à grande densité de points pouvait générer une énergie électrique plus élevée avec une densité de puissance de pointe maximale de 203 mW m⁻² à 80 MΩ, ce qui crée une surface de contact effective plus grande. 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 récupérer beaucoup plus d'énergie pour prolonger la durée de vie, des textiles à mailles entrelacées 3D double face ont été tricotés par une machine à tricoter à plat à double lit d'aiguilles, qui présentaient la même performance de sortie sur les faces avant et arrière. En outre, les TENGs basés sur la structure textile tridimensionnelle pouvaient 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 avait été améliorée. Cependant, les apparences de surface susmentionnées ont peu de description sur la forme géométrique de la surface, et les facteurs concernant le transfert de charge généré souffrent encore d'un manque d'explications spécifiques. Il n'existe pas de manière universelle pour caractériser l'apparence de surface, ce qui nécessite de trouver une évaluation de morphologie irrégulière. C'est donc la limitation pour comprendre pleinement le transfert de charge sur le nanogénérateur triboélectrique actuellement.

Le but de l'analyse de surface est de caractériser les structures géométriques des textiles, qui peuvent être testées selon deux approches : méthode de contact et méthode optique. La méthode de contact peut bien décrire la morphologie de surface, mais le temps nécessaire est beaucoup plus long, et l'aiguille laisse une trace sur la surface. Comparée à la méthode de contact, avec les avantages de temps de mesure court, faible contrainte sur la surface et détection facile, la méthode optique a été utilisée pour détecter la rugosité de surface. Cependant, les faux espaces et le niveau élevé de bruit peuvent réduire le jugement de la morphologie de surface réelle.

L'outil mathématique est une analyse théorique qui peut être utilisée pour quantifier l'étendue de la rugosité de surface. C'est une approche novatrice pour évaluer la surface irrégulière. Avec une telle surface inégale, la méthode mathématique conventionnelle de géométrie euclidienne ne peut pas être utilisée car il est vraiment difficile de juger la dimension géométrique quantitative et la précision de mesure, telles que la longueur de 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, telles que les propriétés physiques des mousses et l'évaluation de la douceur des tissus. Presque toutes les surfaces rugueuses peuvent être divisées en certaines parties auto-similaires qui peuvent être décrites par une dimension non entière, nommée dimension fractale (Df). Basée sur les diverses surfaces géométriques, la valeur de Df doit être considérée et analysée car elle a un effet sur la rugosité et la surface de contact efficace dans la conception d'un nanogénérateur triboélectrique, optimisant la capacité de conversion des mouvements humains en électricité.

Dans ce travail, nous présentons les diverses 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, ce qui permet la production à grande échelle et les applications pratiques. Pour imiter le mouvement de battement de main, les TENGs sont conçus dans le mode de fonctionnement contact-séparation (CS) qui est le mécanisme de fonctionnement le plus simple. Les structures tricotées sont formées selon deux types d'approches, incluant la morphologie de surface convexe-concave basée sur la structure et la 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 surface et les structures tricotées. La Df de chaque tissu peut être calculée à travers le principe fractal approprié, évaluant la rugosité de la surface du tissu. Le transfert de charge maximal de l'apparence de surface en côte 1*1 peut atteindre 91,66 nC par mouvement de battement et de relâchement, ce qui obtient une dimension fractale de 0,99. Et un phénomène intéressant montre qu'avec la valeur de Df se rapprochant du nombre un, le transfert de charge peut être plus élevé. Finalement, l'utilisation de la théorie fractale et des structures tricotées peut fournir une méthode efficace pour évaluer quantitativement le transfert de charge et devrait aider à concevoir des TENGs à base de textiles tricotés avec plus d'efficacité, de production industrielle et de coût peu élevé.

Matériaux et Méthodes

Matériaux

Les fils de nylon (dtex 600, AnTong KeJia Textile fiber products Co., Ltd.) qui étaient couramment disponibles ont été tricotés en deux types de textiles en côte et tissus convexes avec une jauge de 15 (aiguille/pouce) sur une machine à tricoter pour vêtement entier (SHIMA Seiki Co., Japon). Le film de polytétrafluoroéthylène (PTFE) avec une épaisseur de 0,05 cm (Chenqi Electrical Technique Co. Ltd.) est utilisé. L'électrode courbée et torsadée est du ruban de cuivre commercial (Shenzhen Biaozhitape Co. Ltd) avec une épaisseur de 0,06 mm collé 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 tricotage en trame comme méthode de tricotage représentative peut facilement doter les tissus d'une grande extensibilité, d'un faible coût et d'une performance esthétique. Avec les avantages du tricotage positionnel, les textiles d'énergie peuvent être intégrés dans les vêtements sans techniques de couture supplémentaires. Il y a dix textures convexes-concaves conçues qui sont décrites dans le Tableau 1. Pour démontrer la relation entre la morphologie de surface et le transfert de charge, des cordons longitudinaux et transversaux sont tricotés sur la surface du textile. Ainsi, dix textures différentes sont décrites dans le Tableau 1, où les sept premiers échantillons présentent un cordon longitudinal sur la surface, et les apparences de surface des n° 8, 9 et 10 sont des convexes transversaux. Ici, les structures sont tricotées par une machine à tricoter informatisée à plat, adaptée au processus industriel à haute efficacité, et les textiles peuvent être adaptés à 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 des conditions atmosphériques standard pour détendre le tissu jusqu'à l'état de taille stable, ce qui vise à réduire l'influence du retrait de relaxation et à améliorer la précision des tests. Ensuite, du ruban conducteur de même taille a été collé au dos des textiles. Basé sur les nanoparticules hautement polarisables, le film en PTFE a été adopté comme l'autre matériau diélectrique. Le film est toujours adhéré à un morceau de feuille de cuivre, transférant la migration d'électrons. Quant au mode CS, des fils conducteurs ont été connectés à deux modèles de frottement, qui se déplacent dans la direction verticale. Alors, les TENGs textiles basés sur CS ont été fabriqués.

Caractères fractals des tissus tricotés

Tous les objets naturels ne sont pas de forme et de limite irrégulières incomplètes, incluant les côtes, flocons de neige, nuages et 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, incluant la dimension de Hausdorff, la dimension de comptage de boîtes et la dimension de similarité, qui est le paramètre crucial pour quantifier le style de la surface. La dimension fractale typique était la courbe de Koch comme un flocon de neige, qui a été présentée pour la première fois en 1904. La zone bornée par trois auto-similarités avec l'infini est restreinte, nommée courbes de Koch, dont la dimension fractale est 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 : F(a) ≈ a^Df, où Df est la dimension fractale qui est exhibée dans la pente d'un graphique log-log.

La dimension fractale de surface inégale, Df, peut être déterminée selon une approche de dimension de Hausdorff basée sur l'analyse de taille relative d'une unité similaire. En tant que facteur de formation de surface à cordon, le district convexe qui inclut plusieurs unités de micro-structure convexe avec différents bords et nombres peut être exprimé comme : M = N^Df, où M est le nombre d'unités convexes, N est le multiple répété d'unités auto-similaires qui est la longueur des unités convexes par rapport à la longueur de l'échantillon entier, et Df est la dimension fractale des structures surélevées. L'équation est un modèle qui peut être utilisé pour prédire la morphologie de surface, donc : Df = log M / log N.

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 à tissu tricoté en mode contact et séparation ont été opérés par un moteur linéaire auto-assemblé et un électromètre (système Keithley 6514) basé sur le système LabVIEW.

Résultats et Discussion

Afin de confirmer les matériaux de frottement, l'ordre triboélectrique est la référence significative, qui quantifie la polarisation triboélectrique de différents matériaux courants. L'ordre triboélectrique présente qu'un côté montre une capacité de gain de charge et l'autre côté possède une haute capacité à perdre des électrons, qui ont été définis comme la performance fondamentale du matériau. Pour obtenir une performance de sortie exceptionnelle, un couple de matériaux est sélectionné qui doit être attribué à la série triboélectrique avec une distance considérable, augmentant la différence de potentiel. Ici, l'un est le nylon commercial, à faible coût, excellente résistance à l'abrasion et tendance hautement positive à la charge, et l'autre montre une tendance à la charge négative (PTFE). Dans ce travail, nous avons sélectionné la membrane PTFE sans aucun traitement de surface. Ici, le seul facteur est les structures tricotées qui peuvent être analysées par la performance de transfert de charge. Un autre élément critique est le matériau d'électrode qui est la feuille de cuivre avec une haute flexibilité, qui peut être collée directement, ce qui est un processus de fabrication simple et en une étape. Comparé aux métaux précieux d'argent et d'or, le prix de la feuille de cuivre est peu coûteux et peut être utilisé pour fabriquer des produits économiques. Donc, le cuivre a été largement appliqué comme circuits flexibles et électrodes dans la conception de dispositifs intelligents.

Actuellement, il existe quatre modes de fonctionnement universels des TENGs correspondant aux différentes structures d'électrodes et mouvements. Avec les avantages de fabrication facile, sélection abondante de matériaux, mouvements réciproques dans la direction verticale, les TENGs CS sont les premiers profondément étudiés qui ont la capacité potentielle pour récupérer certaines énergies biomécaniques, telles que le battement des mains, la marche et la course. Ici, afin d'étudier le principe d'influence des structures de surface, les nanogénérateurs triboélectriques basés sur textile tricoté (KNGs) 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 à la Figure 1a, consistant en tissus tricotés, membrane PTFE et feuille de cuivre. La polyvalence du tissu tricoté flexible en termes de sa capacité à se froisser, se plier, draper et se plier dans n'importe quelle direction est adaptée à diverses échelles décrites à la Figure 1b. Les KNGs peuvent être conçus selon les exigences de position d'application et l'esthétique des vêtements. La diversité des structures tricotées a été tricotée avec différentes apparences de surface, et ensuite ces photographies de la surface du textile ont été montrées à la Figure 1c.

Le mécanisme de fonctionnement des KNGs est simplement présenté à la Figure 2a. Pour mesurer le transfert de charge, la distance maximale et la fréquence des mouvements du moteur linéaire sont fixées à 10 cm et 0,3 Hz pour simuler les mouvements de battement de mains, respectivement. Pour la surveillance courante, la tension à circuit ouvert (Voc), le courant de court-circuit (Isc) et le transfert de charge (Qsc) sont mesurés par un moteur linéaire mécanique. Dans l'état initial, le textile en nylon produit des charges positives et le film PTFE est chargé avec des charges négatives en raison de l'induction électrostatique et de la conservation des charges. Lorsque l'appareil est pressé, un rétrécissement de l'espace entre les deux surfaces de contact entraînera l'accumulation de charge positive dans l'électrode collée sur le PTFE. Les électrons circulent depuis le circuit externe pour équilibrer la différence de potentiel. Il convient de noter que la quantité équivalente d'électrons peut être maintenue sur la surface de la zone de contact car les deux matériaux diélectriques sont des isolants. Lorsque le PTFE revient en arrière, le processus s'inverse et l'électricité retrouvera à nouveau l'équilibre entre le textile en nylon et le PTFE, reflétant la neutralisation des charges. Par conséquent, les électrons reviendront pour les différences de potentiel électrique. Dans cette situation, les KNGs pourraient générer Isc et Voc, qui ont une caractéristique de changement périodique.

Afin de fabriquer des structures convexes sur la surface du textile, il existe deux types de méthodes utilisées, incluant la conception de structure et la formation de forme. La conception de structure dépend de la proportion différente des points de boucle face et des points de boucle inversés. Le total des échantillons est conçu en sept types de côtes, incluant le type m*n (m = n = 1, 2, 3, 4) et 2*m (m = 1, 2, 3, 4). La côte a une apparence de cordon vertical en raison des côtes de boucles face qui tendent à passer par-dessus et devant les côtes de boucles inversées ; alors, la hauteur maximale du cordon peut atteindre 0,2 cm. La côte de m*n (m = n = 1, 2, 3, 4) peut être équilibrée par des côtes alternées de boucles face de chaque côté, donc elle reste plate sans se recourber après la coupe. Et les deux côtés du textile ont la même apparence. Cependant, les différentes proportions de boucles face et inversées dans les structures de côte 2*m, il y a une surface distincte qui apparaît. De plus, le processus d'étirement du tissu en côte est divisé en deux étapes, incluant l'entrelacement des côtes inversées des deux côtés jusqu'à être étirées pour révéler les côtes de boucles inversées entre les deux, puis toutes les boucles continuent d'être étirées sur plus du double de large qu'un tissu unique équivalent. Par conséquent, comparés aux tissus unis, les textiles en côte ont le potentiel d'augmenter la capacité d'étirement pour récupérer les mouvements de battement et d'étirement (direction transversale et longitudinale) pendant le mode de fonctionnement contact-séparation. L'autre méthode pour établir une structure surélevée est la déformation de forme où la couche d'air est formée sur la surface du textile n (n = 4, 5, 6). L'épaisseur de la section transversale varie de 0,15 à 0,3 cm. La caractéristique de la couche d'air est une structure d'arche proéminente qui peut fournir un certain espace pour accélérer la séparation des électrons lors des mouvements déclencheurs. Au-dessus de tout ce qui est mentionné, les textiles tricotés sont conçus par une machine informatisée à plat qui peut réaliser la précision de localisation du tricotage, former le vêtement entier et intégrer parfaitement les matériaux intelligents dans le tissu.

Les travaux précédents ont démontré que la surface de contact effective du côté face était bien plus grande que le dos du textile ; résultat, le transfert de charge était deux fois plus élevé que la performance de sortie du dos. Cela est dû au fait que la longueur de la boucle d'aiguille était plus longue que la boucle d'enfoncement. Par conséquent, pour améliorer la performance de sortie et créer un seul facteur influent, les structures surélevées de contact consistent en des boucles du côté face. Les sorties des KNGs en fonction du nombre d'unités convexes sont tracées. Une tendance décroissante où la surface de contact de tous les textiles expérimentés diminuait avec le nombre d'unités surélevées s'est formée. De plus, les charges électriques les plus significatives sont dans l'ordre séquentiel de la côte 1*1, côte 2*1 et structures de forme à quatre aiguilles (le premier point de chaque ligne) avec des valeurs de 91,66 nC, 90,19 nC et 69,64 nC, respectivement.

Ensuite, la structure tricotée avec différentes morphologies de surface en termes de diversité de densité de côtes, nombre d'unités du côté face et structures sont étudiées. Tous les paramètres de dix types de textiles tricotés sont testés et enregistrés dans le Tableau 2. Notamment, la densité de rangs est toujours constante car l'apparence de cordon a grandi le long de la direction verticale lors de l'analyse des échantillons n° 1 à 7. Donc, la densité de côtes comme facteur principal qui doit être discuté fait référence aux caractéristiques des différentes structures tricotées. Il est évident que la boucle face et la boucle inversée ont la même proportion dans les n° 1-4, environ 50 %. Ces textiles montrent les mêmes structures peu importe ce qui est le côté face ou dos basé sur le tricotage à double point. L'épaisseur moyenne montre plus élevée comparée aux échantillons n° 5-7 qui consistent en un nombre différent de points face et de points inversés. La texture n° 4 possède la plus grande unité de répétition que sa densité de côtes est deux fois plus grande que n° 1. Cependant, le nombre d'unités du côté face sur le tissu pratique est presque une moitié de déclin par rapport à n° 1. C'est parce que plus de boucles d'enfoncement sont étirées l'une avec l'autre pour que l'apparence de colonne puisse être formée. Avec l'augmentation de l'unité tricotée, le diamètre de la colonne et l'épaisseur des tissus s'agrandissent, ici, diminuant le nombre d'unités du côté face et la surface de contact efficace lors des mouvements déclencheurs. En termes de structure en côte avec différentes proportions de boucles face et inversées, l'apparence exhibe la caractéristique de structure à face unique évidemment, avec l'augmentation des unités de répétition tricotées. Pendant ce temps, la densité de côtes de n° 7 est aussi grande que n° 1 et n° 5, mais le nombre d'unités de boucles face a des différences distinctes en raison du nombre d'unités tricotées est de six boucles qui sont bien plus que n° 1 (2 boucles) et n° 5 (3 boucles), donc la performance de sortie est inférieure à celle de n° 1 et n° 5. En résultat, le tissu tricoté en côte n° 1 représente le plus d'unités de boucles face dans les n° 1-10 pendant les mouvements de contact-séparation.

D'un autre côté, le textile tricoté de type forme a été conçu à travers le nombre différent de boucles s'assemblant dans le tissu entier, formant des structures d'arche. En raison de la direction de la longueur du cordon est horizontale, la densité de côtes du tissu montre une stabilité approximative dans la direction transversale. La structure d'arche fournit une approche pour séparer la charge sur la surface, qui a un espace creux intérieur. Ainsi, l'efficacité de récupération de l'énergie mécanique perdue a été améliorée. Généralement, afin d'améliorer la performance de sortie, un type d'arche est fait de matériaux flexibles avec une élasticité et durabilité parfaites, tels que les substrats en silicone, mais il est difficile d'être tricoté dans une machine à tricoter industrielle pour répondre aux exigences commerciales. Quand il s'agit de voir la structure d'arche basée sur le textile tricoté dans les recherches précédentes, la construction doit être cousue ou collée, ce qui est un processus complexe et chronophage. Nous avons présenté un textile à arche tricoté qui est préparé par la technique de formation entière sans seconde fabrication qui dote la haute efficacité de production. Parmi les structures de cordon horizontal, la hauteur de 0,3 cm montre la plus faible sortie de charge comparée aux structures de cordon horizontal à quatre et cinq aiguilles avec une hauteur de 0,15 cm et 0,2 cm, respectivement, ce qui peut être influencé par la faible rigidité des textiles tricotés à une grande distance entre les deux extrémités fixées. La forme convexe la plus haute est difficile à maintenir en arche avec la pression de force et à récupérer sa forme pristine, ce qui entraîne la neutralisation de certaines charges. En résultat, la diminution de la hauteur de l'arche peut améliorer la tolérance des structures convexes. Cependant, de tels cordons de type forme réduisent la surface de contact effective qui est de type ligne qui a peu de surfaces que le contact réel, diminuant la performance de sortie électrique.

Les boucles ont des structures irrégulières, donc l'évaluation de leurs propriétés géométriques telles que la taille du point et la forme de surface est difficile. Pour identifier l'irrégularité des boucles, l'évaluation traditionnelle qui est une dimension entière ne peut pas être utilisée. La théorie fractale est suggérée pour analyser la catégorie d'irrégularité dans notre environnement et la nature. Le concept proposé de dimension fractale est un excellent outil pour exhiber la morphologie complexe qui présente les règles, la complexité et la rugosité de la surface du textile. Parce que tous les fractals 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 l'information portée. La caractéristique de surface convexe peut être intuitivement observée sous différentes perspectives où se trouve la preuve pour confirmer la morphologie surélevée.

La surface inégale a été formée avec la structure tricotée conçue causée par la morphologie du fil et la conception de structure. La géométrie fractale est un calcul efficace pour évaluer la surface du textile et comprendre la caractéristique des structures tricotées et la capacité de génération de charge triboélectrique. En fait, avec l'augmentation de l'unité surélevée, cela peut améliorer le textile tricoté inégal en raison de la forme de surface modifiée. Bien que tous les textiles tricotés possèdent des structures convexes dans les directions longitude et transverse, le degré de similarité n'est toujours pas confirmé, ce qui est la valeur de référence significative pour savoir si l'utilisation de la dimension fractale est réussie ou non. Pour estimer la faisabilité de la dimension fractale, tous les tissus tricotés sont calculés en mesurant la largeur de l'unité convexe, la taille des boucles en longueur et largeur lorsque les textiles restent en taille stable. Les figures montrent la courbe d'ajustement de la dimension fractale des tissus de types n° 1-10, et la pente d'une ligne signifie la dimension fractale. L'existence de la relation est trouvée dans les structures convexes des dix types différents de textiles tricotés, ce qui confirme la caractéristique fractale de dix tissus tricotés. Par conséquent, la théorie fractale appliquée dans l'analyse de la diversité de structure tricotée est praticable.

Les figures illustrent le Isc et Voc générés basés sur les applications pratiques des KNGs de contact et séparation, basés sur les types de structure et types de forme. Il y a une tendance à la diminution avec l'augmentation de l'unité tricotée pour le Isc et Voc. Cela est parce que le Isc change avec la surface de contact effective qui est affectée par les structures tricotées.

Lors du calcul de la Df de diverses structures tricotées, la structure tricotée étudiée indique que les différentes structures tricotées ont une valeur inégale qui est une dimension non entière en raison des différents composants de convexe. C'est l'image de la courbe de transfert de charge versus dimension fractale de structures diverses. La structure en côte présente une performance de sortie souhaitable et la dimension fractale proche de la valeur un. Les TENGs basés sur les textiles tricotés de type structure ont un transfert de charge plus élevé que le type forme et la valeur de Df pour le type de côte m*n, type de côte 2*n et type n est dans la gamme de 0-2, 0-1 et 1-2, respectivement. Généralement, la dimension fractale symbolise l'étendue de la rugosité de surface qui est la rugosité augmentant avec le grand Df. Cependant, les tissus de type forme sont conçus en cordon horizontal avec une petite surface de contact de type ligne, donc la rugosité a peu d'influence sur le transfert de charge.

Afin de démontrer l'influence sur Df de l'homogénéité de structure convexe dans les structures en côte, la longueur de côté aléatoire est choisie et calculée. Le résultat montre que la dimension fractale obtenue n'est pas la même que la Df calculée basée sur la longueur de mesure réelle. Peu importe comment la structure surélevée est distribuée, la valeur de Df est affectée par la longueur pratique et le nombre de cordons.

Il est noté que la dimension fractale de la structure en côte 2*1 est proche de la côte 1*1 atteignant 0,99, et ainsi, le transfert de charge est à peu près le même. La performance de sortie électrique générée montre la plus élevée lorsque la Df est proche de la valeur un. Cela a fourni une hypothèse si la dimension fractale peut évaluer la morphologie de surface et caractériser la performance de sortie. Pour étudier la corrélation du fractal et du transfert de charge, la différence entre la dimension fractale et la valeur un (nommée valeur F) a été illustrée. Les résultats d'exploitation montrent une tendance que la diminution de la valeur F peut augmenter le Voc beaucoup plus élevé, fournissant des preuves pour l'application potentielle de la dimension fractale. Cependant, la valeur F est considérée comme une évaluation des structures de rugosité, qui doit considérer les propriétés de la boucle primaire de la structure. Ensuite, l'influence sur le transfert de charge est discutée de manière exhaustive. L'échantillon n° 4 et n° 6 a une valeur F similaire, mais une différence massive existe sur les deux performances de sortie. La morphologie de surface de n° 4 montre la structure plane due au même nombre de boucles face et inversées, donc le transfert de charge est faible. Mais n° 6 a une apparence proéminente due aux boucles inversées sur les points face et le transfert de charge généré est grand lors du contact et de la séparation. Par conséquent, la sélection et la conception de la structure tricotée du textile basée sur la valeur F améliorent grandement le transfert de charge électrique total généré, ce qui est une exigence indispensable pour construire un dispositif flexible auto-alimenté à haute efficacité basé sur les textiles tricotés.

Conclusion

Nous avons démontré que le textile tricoté avec une haute flexibilité et un excellent transfert de charge peut être appliqué dans les TENGs flexibles pour récupérer l'énergie biomécanique irrégulière et de basse fréquence, qui possède une performance de sortie exceptionnelle. Pour identifier la relation entre la morphologie de surface et la propriété de sortie, la théorie fractale a été utilisée pour quantifier la géométrie de surface et évaluer son influence sur la capacité de transfert de charge de l'apparence de surface. Différentes structures tricotées ont été fabriquées qui peuvent analyser leur impact sur la récupération d'énergie. Du point de vue de l'unité tricotée, le résultat montre que la sortie maximale de la structure en côte 1*1 peut atteindre 213 V avec l'unité tricotée minimale. En outre, pour mieux comprendre le mécanisme de fonctionnement et la géométrie de la zone de contact, les diverses structures tricotées ont été illustrées dans une dimension fractale qui est distincte de la dimension traditionnelle. Par le calcul, différentes structures tricotées avec des unités tricotées identiques peuvent être utilisées pour obtenir une dimension fractale avec les mêmes unités tricotées. La sortie électrique générée peut être augmentée avec la dimension fractale proche de la valeur un. Par conséquent, la différence entre la dimension fractale et la valeur un peut être utilisée dans l'évaluation de la capacité de transfert de charge selon la surface irrégulière. Dans un avenir proche, il est attendu qu'une évaluation pour générer la capacité de sortie basée sur la théorie fractale dans la construction d'un nanogénérateur triboélectrique, obtenant la performance de sortie maximale pour optimiser le système flexible auto-alimenté pour récupérer les mouvements humains perdus dans notre vie quotidienne sera étudiée.