考虑聚合物粘弹性的摩擦电纳米发电机粘着接触和电性能研究

ty10086 提交于 周三, 08/25/2021 - 16:20
文章英文标题
Investigation on the adhesive contact and electrical performance for triboelectric nanogenerator considering polymer viscoelasticity
正文
摩擦电纳米发电机( TENG )是一种新型的机械能收集技术,其中典型的粘弹性材料聚二甲基硅氧烷( PDMS )被广泛应用。在PDMS表面常制备微/纳米织构,以增强TENG的电学性能。随着接触区域减小到微米/纳米尺度,粘着力成为主导。然而,目前还缺乏同时考虑材料粘弹性和粘结力的接触力学模型来指导表面织构设计。本文首先推导了基于分数阶导数Zener模型的显式数据拟合公式,用于识别黏弹性本构参数,既避免了初始接触点的影响,又保证了蠕变柔度与松弛模量函数的准确转换。然后基于拟合的本构参数建立黏弹性-黏着接触模型,采用双共轭稳定( Bi- CGSTAB )方法和快速傅里叶变换( FFT )技术等数值算法分析材料黏弹性和纹理尺寸对接触和电性能的影响。结果表明,与弹性-黏着接触模型的结果相比,基于黏弹性-黏着接触模型的接触面积比明显偏大,与试验结果更为接近。在所选择的金字塔纹理尺寸中,较小间距、较大宽度的纹理在较重的外加载荷下可以获得较高的电性能。本研究可为TENG粘弹性表面织构的设计提供理论参考。
文章内容(英文)
The triboelectric nanogenerator (TENG) is a new mechanical energy harvesting technology in which the typical viscoelastic material polydimethylsiloxane (PDMS) is widely used. Micro-/nano-textures are often fabricated on the PDMS surface to enhance the electrical performance of TENG. As the contact region decreases to micro/nano scale, the adhesive forces become dominant. However, there is still a lack of contact mechanics model considering both material viscoelasticity and the adhesive forces to guide the surface texture design. In this paper, the explicit data-fitting formulas based on the fractional derivative Zener model are firstly derived to identify the viscoelastic constitutive parameters, which can not only avoid the influence of the initial contact point, but also ensure the accurate conversion between the creep compliance and the relaxation modulus function. Then a viscoelastic-adhesive contact model based on the fitted constitutive parameters is established, and the numerical algorithms such as bi-conjugate stabilized (Bi-CGSTAB) method and fast Fourier transform (FFT) technique are employed to analyze the effects of material viscoelasticity and texture sizes on the contact and electrical performance. It is shown that, compared with results from the elastic-adhesive contact model, the contact area ratio based on the viscoelastic-adhesive contact model is significantly larger, which is much closer to the experimental results. Among the selected sizes of pyramid texture, the higher electrical performance can be obtained from the textures with a smaller pitch and a larger width under the heavier applied load. This study can provide a theoretical reference for the design of viscoelastic surface texture of TENG.
来源出处
Journal|[J]Nano Research2021. PP 1-9
DOI
https://doi.org/10.1007/S12274-021-3393-0

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