超弹性高性能摩擦电发电机输出机理及界面摩擦行为研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51675236
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0505.机械摩擦学与表面技术
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

The triboelectric generator which uses the coupling between contact triboelectricfication and electrostatic induction provides a novel type for harvesting ambient mechanical energy and converting it into electric energy. It has broad application prospects due to its unique properties such as low cost, high efficiency and easy to carry. . This proposal aims to solve the two key problems in the triboelectric generator research, which are the low charge density on the polymer surface and the unrevealed tribologicl performance at the contact interface under coupling effect by the combination of theoretical and experimental research. A superelastic material is employed on the basis of the research of the influencing factors of output performance. A series of problems as the surface charge distribution, the adhesion mechanism, the contact fatigue and tribological performance of the superelastic material under electrostatic-force coupling field are studied. The charge transfer and aggregation mechanism are obtained on the sharply reduced surface area. The high power output method and theory together with the mathematical model between the contact area and the electrical output performance for the triboelectric generator are established. The relation of pressure-elastic deformations response, the contact fatigue failure and its regulation mechanism for the superelastic material are revealed. The tribological rules of the soft elastic material in dry friction conditions under the electrostatic-force coupling effect are founded and finally, an empirical formula that can evaluate both tribological performance and output performance for the soft elastic polymer based triboelectric generator is constructed. . The obtained conclusions lay the foundation for the design of long life, high power triboelectric generator and will also provide a theoretical support for the designing and manufacturing of the soft machine.
基于接触生电与静电感应原理的摩擦电发电机作为一种低成本、高转化效率、易携带的发电装置,具有广阔的应用前景。本课题针对目前摩擦电发电机中聚合物表面电荷密度低及接触界面耦合摩擦学规律不明这两个关键基础问题,采用理论与实验研究相结合的方法,在对摩擦电发电机电输出机理研究的基础上引入超弹性体材料;通过对超弹性体材料表面在力电耦合场下的电荷分布、粘附机制、接触疲劳及摩擦学行为研究,探明静电荷在超弹性体材料表面积急剧变化时的转移与聚集机制,获得摩擦电发电机高功率输出方法,建立接触面积与电输出性能之间的数学模型;明晰超弹性体材料压力—弹性变形响应关系,探明超弹性体材料接触疲劳失效机理及调控机制,揭示超弹性材料在干摩擦面接触条件下的静电耦合摩擦学规律;最终构建出超弹性摩擦发电机的电输出和摩擦学性能综合评价经验公式,为长寿命、高功率摩擦电发电机设计奠定基础,为软体机械的设计与制造提供理论支撑。

结项摘要

随着智能时代的到来,以可穿戴电子、智能无线传感网络等为代表的智能装备要求稳定、易获取、可移动的能源。摩擦纳米发电机由于可高效收集环境的低频机械能而具有广阔的应用前景。项目致力于提高摩擦纳米发电机的输出功率,围绕导电超弹性体材料摩擦纳米发电机的工作原理、样机结构设计、性能表征等开展了系列工作。采用模板法、等离子体刻蚀等方法设计、制造了多种构型的表面,考虑导电超弹性体材料表面织构、表面基团、可拉伸性等物理、化学性能,开展了超弹性体材料在发生大变形过程中接触生电行为及变化规律研究,建立了对应接触面积与电输出性能的理论模型,借助ANSYS、Comsol等模拟软件明晰了超弹性体材料压力—弹性变形响应关系,搭建了接触面积实时观测装置、软体材料摩擦学行为测试装置,揭示出超弹性材料在干摩擦面接触条件下的接触疲劳失效模式及摩擦学规律。在此基础上设计、制造出对应于接触分离、单电极、独立层模式的多面体结构、双螺旋结构摩擦纳米发电机,用以实现对风能、水波能以及人体运动能量的高效便捷收集,最大功率密度达到7.2 W/m2,最终实现原理样机在智能交通、滑觉传感方面的演示。解决了摩擦电发电机中聚合物表面电荷密度提高难及接触界面耦合摩擦学规律不明这两个关键基础问题,为长寿命、高功率摩擦电发电机设计奠定了基础,为柔性机械电子器件与系统特别是自供能传感器和柔性移动能源的设计与制造提供理论支撑。此外,在项目实施过程中,项目组成员积极参加学术交流,在国际、国内会议上做邀请报告、墙报、口头报告等6次,在期刊上累计发表学术论文9篇,授权发明专利8件,培养硕士研究生8人,已经毕业4人,多名学生在各类学科竞赛中获奖,较好地发挥了项目的人才培养职能。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(8)
Synthesis of Hard Carbon/Iron Microspheres and Their Aqueous-Based Tribological Performance Under Magnetic Field
硬质碳/铁微球的合成及其水基磁场摩擦学性能
  • DOI:
    10.1007/s11249-016-0782-8
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    Tribology Letters
  • 影响因子:
    3.2
  • 作者:
    Cheng Guanggui;Jiang Shiyu;Khosla Tushar;Pesika Noshir S;Ding Jianning;Zhang Yueheng;Wang Ying
  • 通讯作者:
    Wang Ying
Effect of argon plasma treatment on the output performance of triboelectric nanogenerator
氩等离子体处理对摩擦纳米发电机输出性能的影响
  • DOI:
    10.1016/j.apsusc.2017.03.255
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Applied Surface Science
  • 影响因子:
    6.7
  • 作者:
    Cheng Guang-Gui;Jiang Shi-Yu;Li Kai;Zhang Zhong-Qiang;Wang Ying;Yuan Ning-Yi;Ding Jian-Ning;Zhang Wei
  • 通讯作者:
    Zhang Wei
Pneumatically Actuated Self-Healing Bionic Crawling Soft Robot
气动自愈仿生爬行软体机器人
  • DOI:
    10.1007/s10846-020-01187-z
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Journal of Intelligent & Robotic Systems
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    Jiang Feng;Zhang Zhenyuan;Wang Xiaodong;Cheng Guanggui;Zhang Zhongqiang;Ding Jianning
  • 通讯作者:
    Ding Jianning
A contact electrification based wind generator
一种基于接触式电气化的风力发电机
  • DOI:
    10.1016/j.sna.2018.07.043
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Sensors and Actuators A: Physical
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Guang-Gui Cheng;Shi-Yu Jiang;Xiang Li;Kai Li;Zhong-Qiang Zhang;Jian-Ning Ding;Ying Wang;Ning-Yi Yuan
  • 通讯作者:
    Ning-Yi Yuan
Design and output performance of vibration energy harvesting triboelectric nanogenerator
振动能量收集摩擦纳米发电机的设计与输出性能
  • DOI:
    10.7498/aps.68.20190806
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Acta Physica Sinica
  • 影响因子:
    1
  • 作者:
    Wu Ye Sheng;Liu Qi;Cao Jie;Li Kai;Cheng Guang Gui;Zhang Zhong Qiang;Ding Jian Ning;Jiang Shi Yu
  • 通讯作者:
    Jiang Shi Yu

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其他文献

基于织构表面的摩擦静电发电机制备及其输出性能研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    Acta Physica Sinica
  • 影响因子:
    1
  • 作者:
    程广贵;张伟;方俊;蒋诗宇;丁建宁;Noshir S.Pesika;张忠强;郭立强;王莹
  • 通讯作者:
    王莹
玉米淀粉固态电解质质子n电子杂化突触晶体管
  • DOI:
    10.7498/aps.66.168501
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    物理学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    郭立强;陶剑;温娟;程广贵;袁宁一;丁建宁
  • 通讯作者:
    丁建宁
磁控溅射GeSbTe相变薄膜黏附与摩擦特性
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
    江苏大学学报(自然科学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    付永忠;程广贵;王权
  • 通讯作者:
    王权
石墨烯对多孔硅光学性能的影响
  • DOI:
    10.13250/j.cnki.wndz.2017.09.002
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    微纳电子技术
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    钱栋梁;葛道晗;程广贵
  • 通讯作者:
    程广贵
Loading, charging and thermal effects on the mechanism of water-cabon nanotube transmission
加载、充电和热效应对水-碳纳米管传输机制的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    International Journal of Computational Materials Science and Engineering
  • 影响因子:
    1.3
  • 作者:
    张忠强;叶宏飞;郑勇刚;程广贵;丁建宁;凌智勇
  • 通讯作者:
    凌智勇

其他文献

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程广贵的其他基金

层状柔性材料软接触表/界面载荷传递与功能化设计
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2022
  • 资助金额:
    54 万元
  • 项目类别:
    面上项目
微/纳器件电极材料界面力-电耦合效应的基础研究
  • 批准号:
    51005103
  • 批准年份:
    2010
  • 资助金额:
    20.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似国自然基金

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相似海外基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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