Analisis Morfologi Permukaan Nanogenerator Triboelektrik Berbasis Struktur Rajut untuk Meningkatkan Muatan Transfer

Hasil dan Diskusi

Untuk mengkonfirmasi bahan gesekan, orde triboelektrik [49] adalah referensi signifikan, yang mengukur polarisasi triboelektrik dari bahan umum yang berbeda. Orde triboelektrik menunjukkan bahwa satu sisi menunjukkan peningkatan kapasitas muatan dan sisi lain memiliki kemampuan tinggi untuk kehilangan elektron, yang telah didefinisikan sebagai kinerja material dasar. Untuk mendapatkan kinerja keluaran yang luar biasa, beberapa bahan dipilih yang perlu dikaitkan dengan seri triboelektrik dengan jarak yang cukup jauh, meningkatkan perbedaan potensial. Di sini, satu adalah komersial, biaya rendah, ketahanan abrasi yang sangat baik dan kecenderungan bermuatan sangat positif (nilon) dan yang lainnya menunjukkan kecenderungan bermuatan negatif (PTFE). Dalam karya ini, kami memilih membran PTFE tanpa perawatan apa pun di permukaan. Di sini, satu-satunya faktor adalah struktur rajutan yang dapat dianalisis dengan kinerja transfer muatan. Elemen penting lainnya adalah bahan elektroda yaitu foil tembaga dengan fleksibilitas tinggi, yang dapat direkatkan secara langsung, yaitu proses fabrikasi yang sederhana dan satu langkah. Dibandingkan dengan logam mulia perak dan emas, harga foil tembaga tidak mahal dan dapat digunakan untuk membuat produk yang ekonomis. Jadi tembaga telah diterapkan secara luas sebagai sirkuit dan elektroda fleksibel dalam desain perangkat pintar.

Saat ini, ada empat TENG yang dioperasikan dengan mode kerja universal yang sesuai dengan struktur dan gerakan elektroda yang berbeda. Dengan keunggulan fabrikasi yang mudah, pemilihan material yang melimpah, gerakan arah vertikal bolak-balik, CS TENG adalah yang pertama diselidiki secara mendalam yang memiliki kemampuan potensial untuk mengumpulkan beberapa energi biomekanik, seperti mengepakkan tangan, berjalan, dan berlari. Di sini, untuk menyelidiki prinsip pengaruh struktur permukaan, nanogenerator triboelektrik berbasis tekstil rajutan (KNGs) telah dirancang, sesuai dengan kontak dan pemisahan antara kain nilon dan film PTFE. Proses perakitan triboelectric nanogenerator disajikan pada Gambar 1a, terdiri dari kain rajutan, membran PTFE, dan foil tembaga. Fleksibilitas kain rajutan fleksibel dalam hal kapasitasnya untuk mengeriting (Gbr. 1 bi), menekuk (Gbr. 1 bii), mengalungkan (Gbr. 1biii), dan melipat (Gbr. 1biv) ke segala arah disesuaikan dalam berbagai skala digambarkan pada Gambar. 1b. KNG dapat dirancang berdasarkan persyaratan posisi aplikasi dan estetika pakaian. Keragaman struktur rajutan telah dirajut dengan tampilan permukaan yang berbeda, dan kemudian foto-foto permukaan tekstil ini ditunjukkan pada Gambar. 1c.

Persiapan skema, karakteristik KNG, dan struktur rajutan. a Proses fabrikasi KNG. b Gambar KNG di bawah berbagai deformasi. saya, berkerut; ii, bengkok; iii, terbungkus; iv, dilipat. c Semua struktur rajutan buatan, dari nomor 1 hingga 10

Mekanisme operasi KNG secara sederhana disajikan pada Gambar 2a. Untuk mengukur muatan transfer, jarak maksimum dan frekuensi gerakan motor linier ditetapkan masing-masing sebagai 10 cm dan 0,3 Hz untuk mensimulasikan gerakan mengepakkan tangan. Untuk pemantauan umum, tegangan rangkaian terbuka (Voc), arus hubung singkat (Isc), dan muatan transfer (Qsc) diukur dengan motor linier mekanis. Dalam keadaan aslinya (Gbr. 2 ai), tekstil nilon menghasilkan muatan positif dan film PTFE diisi dengan muatan negatif karena induksi elektrostatik dan kekekalan muatan. Saat perangkat ditekan (Gbr. 2 aii), penyusutan celah antara kedua permukaan kontak akan menyebabkan muatan positif terakumulasi dalam elektroda yang ditempelkan pada PTFE. Elektron mengalir dari sirkuit eksternal untuk menyeimbangkan perbedaan potensial. Perlu diperhatikan bahwa jumlah ekivalen elektron dapat dipertahankan pada permukaan bidang kontak karena kedua bahan dielektrik adalah isolator (Gbr. 2 aiii). Saat PTFE bergerak mundur (Gbr. 2aiv), prosesnya terbalik dan listrik akan memperoleh keseimbangan sekali lagi antara tekstil nilon dan PTFE, yang mencerminkan netralisasi muatan. Akibatnya, elektron akan mengalir kembali untuk perbedaan potensial listrik. Dalam situasi ini, KNG dapat menghasilkan Isc dan Voc, yang memiliki karakteristik perubahan periodik, ditunjukkan pada Gambar. 2 b dan c. Pada Gambar 2b dan c, sisipan adalah graf yang diperbesar yang digambarkan dalam satu siklus.

Mekanisme kerja tenaga listrik dan kinerja keluaran KNG. a Mekanisme pengoperasian KNG menggunakan kontak kain nilon dengan member PTFE. b Voc KNG dan gambar yang diperbesar untuk satu siklus. c Isc KNG dan gambar yang diperbesar dari satu siklus

Untuk membuat struktur cembung pada permukaan tekstil, ada dua jenis metode yang digunakan, termasuk desain struktur dan pembentukan bentuk, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Desain struktur tergantung pada proporsi yang berbeda dari jahitan loop wajah dan sebaliknya. jahitan lingkaran. Total sampel dirancang dalam tujuh jenis rusuk, termasuk jenis m*n (m =n =1, 2, 3, 4) pada Gambar 3a dan 2*m (m =1, 2, 3, 4) ditunjukkan pada Gambar. 3b. Rib memiliki tampilan kabel vertikal karena face loop wales yang cenderung bergerak di atas dan di depan reverse loop wales; kemudian, tinggi maksimum kabel dapat mencapai 0,2 cm. Tulang rusuk m*n (m =n =1, 2, 3, 4) dapat diseimbangkan dengan lekukan-lekukan wajah yang berselang-seling di setiap sisi, sehingga terbentang rata tanpa menggulung setelah dijahit. Dan kedua sisi tekstil memiliki tampilan yang sama seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3e. Namun, proporsi yang berbeda dari face dan reverse loop pada struktur rib 2*m, terdapat perbedaan surface out, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3f. Selain itu, proses peregangan kain rib dibagi menjadi dua tahap, termasuk jalinan tali terbalik di kedua sisi hingga diregangkan untuk mengungkapkan tali ikal terbalik di antara dan kemudian seluruh loop terus diregangkan dua kali lebih lebar dari yang setara. kain tunggal. Oleh karena itu, dibandingkan dengan kain polos, tekstil rib memiliki potensi untuk meningkatkan kemampuan merenggang untuk memanen gerakan mengepak dan meregangkan (arah melintang dan membujur) selama mode kerja pemisahan kontak. Metode lain untuk membangun struktur terangkat adalah deformasi bentuk dimana lapisan udara terbentuk pada permukaan n (n =4, 5, 6) tekstil yang diilustrasikan pada Gambar 3c. Ketebalan luas penampang berkisar antara 0,15 hingga 0,3 cm. Karakteristik lapisan udara adalah struktur lengkung yang menonjol yang dapat memberikan ruang untuk mempercepat pemisahan elektron saat memicu gerakan. Di atas semua yang disebutkan, tekstil rajutan dirancang melalui mesin datar terkomputerisasi yang dapat mewujudkan akurasi lokasi rajutan, membentuk seluruh pakaian dan mengintegrasikan bahan pintar ke dalam kain dengan sempurna. Tata nama teknik merajut tersebut telah ditandai pada Gambar 3d yang menggambarkan ciri-ciri struktur dengan benar.

Karakteristik skema dan komponen struktur rajutan. a Karakteristik rusuk m*n. b Karakteristik rusuk 2*m. c Karakteristik beberapa kabel horizontal jarum. d Nomenklatur teknik merajut. e Gambar sisi muka dan sisi belakang dalam struktur rusuk 1*1. f Gambar sisi muka dan sisi belakang dalam struktur rusuk 2* 1

Karya-karya sebelumnya [42] mendemonstrasikan area kontak efektif dari sisi wajah yang jauh lebih banyak daripada bagian belakang tekstil; menghasilkan biaya transfer dua kali lebih tinggi dari kinerja output sisi belakang. Ini karena panjang loop jarum lebih panjang dari loop pemberat. Oleh karena itu, untuk meningkatkan kinerja keluaran dan untuk menciptakan hanya satu faktor yang berpengaruh, struktur yang dinaikkan dengan kontak terdiri dari loop samping muka. Output dari KNG tergantung pada jumlah unit cembung diplot pada Gambar. 4. Tren penurunan di mana area kontak dari semua tekstil yang diuji berkurang dengan jumlah unit yang terangkat terbentuk. Juga, muatan listrik yang lebih signifikan berada dalam urutan berurutan dari rusuk 1*1, rusuk 2*1, dan empat struktur tipe bentuk jarum (titik pertama dari setiap baris) dengan nilai 91,66 nC, 90,19 nC, dan 69,64 nC, masing-masing.

Performa output berubah melalui jumlah unit cembung

Kemudian, struktur rajut dengan morfologi permukaan yang berbeda dalam aspek keragaman kerapatan wale, jumlah unit sisi muka, dan struktur diselidiki. Semua parameter dari sepuluh jenis tekstil rajutan diuji dan dicatat dalam Tabel 2. Khususnya, kerapatan jalur selalu konstan karena tampilan kabel telah tumbuh sepanjang arah vertikal saat menganalisis sampel No. 1–7. Jadi, kepadatan wale sebagai faktor utama yang perlu dibahas mengacu pada fitur struktur rajutan yang berbeda. Terlihat jelas bahwa face loop dan reverse loop memiliki proporsi yang sama pada No 1-4, sekitar 50%. Tekstil ini menunjukkan struktur yang sama tidak peduli apa wajah atau sisi belakangnya berdasarkan rajutan jahitan ganda. Ketebalan rata-rata menunjukkan lebih tinggi dibandingkan dengan sampel no. 5–7 yang terdiri dari jumlah jahitan muka dan jahitan cadangan yang berbeda. tekstur no. 4 memiliki unit pengulangan terbesar yang kerapatan wale-nya dua kali lebih besar dari no. 1. Namun, jumlah unit sisi wajah pada kain praktis hampir setengahnya menurun daripada tidak sama sekali. 1. Hal ini dikarenakan semakin banyak sinker loop yang diregangkan satu sama lain sehingga tampilan kolom dapat terbentuk. Dengan unit rajutan meningkat, diameter kolom dan ketebalan kain diperbesar, di sini, mengurangi jumlah unit sisi muka dan area kontak yang efisien saat memicu gerakan. Dalam hal struktur rusuk dengan proporsi muka dan putaran balik yang berbeda, penampakan tersebut menunjukkan karakteristik struktur muka tunggal dengan jelas, dengan peningkatan unit pengulangan rajutan. Sementara itu, kerapatan wale no. 7 sama besar dengan no. 1 dan tidak. 5, tetapi jumlah unit loop wajah memiliki perbedaan yang khas karena jumlah unit rajutan adalah enam loop yang jauh lebih banyak daripada tidak sama sekali. 1 (2 loop) dan tidak. 5 (3 loop), sehingga kinerja output lebih rendah dari pada no. 1 dan tidak. 5. Alhasil, kain rajut rib no. 1 mewakili unit loop wajah paling banyak di no. 1–10 selama gerakan kontak-memisahkan.

Di sisi lain, tekstil rajutan tipe-bentuk telah dirancang melalui jumlah loop yang berbeda yang dipasang ke seluruh kain, membentuk struktur lengkung. Karena arah panjang kabel horizontal, kerapatan wale kain menunjukkan perkiraan stabilitas dalam arah melintang. Struktur lengkung menyediakan pendekatan untuk memisahkan muatan pada permukaan, yang memiliki ruang dalam yang berongga. Dengan demikian, efisiensi pemanenan energi mekanisme terbuang telah ditingkatkan. Umumnya, untuk meningkatkan kinerja keluaran, tipe lengkung terbuat dari bahan fleksibel dengan elastisitas dan daya tahan yang sempurna, seperti substrat silikon, tetapi sulit untuk dirajut dalam mesin rajut industri untuk memenuhi persyaratan komersial. Ketika melihat struktur lengkung berdasarkan tekstil rajutan pada penelitian sebelumnya [24, 41, 50], konstruksi perlu dijahit atau direkatkan, yang merupakan proses yang kompleks dan memakan waktu. Kami menghadirkan tekstil rajutan-lengkungan yang disiapkan melalui seluruh teknik pembentukan tanpa manufaktur kedua yang memberikan efisiensi produksi yang tinggi. Di antara struktur kabel horizontal, tinggi 0,3 cm menunjukkan keluaran muatan terendah dibandingkan dengan struktur kabel horizontal empat jarum dan lima jarum dengan tinggi masing-masing 0,15 cm dan 0,2 cm, yang dapat dipengaruhi oleh kekakuan rendah tekstil rajutan di jarak yang jauh antara kedua ujungnya tetap. Bentuk cembung tertinggi sulit untuk menjaga lengkungan dengan tekanan gaya dan pulih ke bentuk murni, yang menyebabkan beberapa muatan dinetralisir. Akibatnya, penurunan tinggi lengkung dapat meningkatkan toleransi struktur cembung. Namun, kabel tipe-bentuk seperti itu mengurangi area kontak efektif yang merupakan tipe saluran yang memiliki area kecil dibandingkan kontak nyata, sehingga menurunkan kinerja keluaran listrik.

Loop memiliki struktur yang tidak beraturan, sehingga evaluasi sifat geometrinya seperti ukuran jahitan dan bentuk permukaan merupakan tantangan. Untuk mengidentifikasi ketidakteraturan loop, evaluasi tradisional yang merupakan dimensi integral tidak dapat digunakan. Teori fraktal disarankan untuk menganalisis kategori ketidakteraturan di lingkungan dan alam kita. Konsep dimensi fraktal yang diusulkan adalah alat yang sangat baik untuk menunjukkan morfologi kompleks yang menyajikan aturan, kompleksitas, dan kekasaran permukaan tekstil. Karena semua fraktal tidak sepenuhnya serupa, perhitungan matematis digunakan untuk memperdebatkan konfigurasi geometri. Untuk memahami permukaan struktur rajutan, beberapa gambar memvisualisasikan informasi yang dibawa pada Gambar 5d. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5d, karakteristik permukaan cembung dapat diamati secara intuitif dari perspektif yang berbeda di mana bukti untuk mengkonfirmasi morfologi yang terangkat adalah.

Kurva pas dan beberapa gambar visual untuk merajut tekstil. a Struktur rusuk m*n. b Struktur rusuk 2 * m. c Beberapa struktur kabel horizontal jarum. d Gambar visual dari berbagai aspek

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. a 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:

dimana 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 dan T 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. But no. 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.