可穿戴纤维织物摩擦-压电复合式高效能量采集方法研究

Power supply is the key factor influencing the development of wearable intelligent electronic systems, energy harvesting based on human body movement may be the best solution to break through the limitation of traditional battery supply. Considering the technical bottleneck of low power generation ability, narrow frequency range and limited environmental suitability, in this project, a novel research approach of high efficient energy harvesting wearable fabric has been proposed. Concentrating on the maximum of energy conversion efficiency and wideband multi-degree of freedom energy harvesting, research high efficiency power generation material, design of textural structure and triboelectric-piezoelectric hybrid mechanism, uncover the fundamental scientific problem of Reliable repetitive manufacturing, the law of energy transfer and dissipation and high efficient energy harvesting. The main goal is to promote the output power and realize the energy conversion maximum of human body movement, which can provide support for the self-charging portable lntelligent electronic devices.

能源供给是制约可穿戴智能电子系统及相关技术发展的关键因素，基于人体肢体运动能量采集是突破传统电池供电限制的优选方案之一。针对可穿戴式能量采集普遍存在换能材料发电效能差、工作频段窄以及环境适用性受限等技术瓶颈，本项目创新性提出摩擦-压电复合式高效能量采集可穿戴纤维织物的研究思路，围绕织物能源器件输出功率的最大化以及人体运动能量的宽频、多自由度采集，重点开展高效换能材料、编织结构设计、摩擦-压电复合式换能机制研究，揭示可穿戴纤维织物可靠重复性制造、复合换能机制的能量传递和耗散规律、高效能量采集方法等基础科学问题，旨在突破低质量换能材料、单一换能机制等问题对可穿戴能量采集系统输出功率的限制，实现人体运动能量转换最大化，为便携式智能电子系统的自供电工作模式提供理论基础和关键技术支撑，具有重要的科学意义和现实价值。

研制具有高发电效能的换能材料，低成本、透湿透气性良好、适应人体运动特点的大面积、低成本纤维织物，同时具备多种换能机制的便携式能源器件，是目前便携式自供电能源器件亟待突破的关键技术。基于摩擦起电效应和压电效应协同耦合的可穿戴纤维织物能够实现更高电学输出性能，具有更广阔应用前景。本项目以基于人体运动能量高效采集的纤维织物设计为切入点，以换能材料逾渗理论特性、纤维织物摩擦-压电复合换能机理等理论为依据，重点突破了换能材料发电效率低、换能机制单一和器件内耗高等关键技术问题，开展高品质换能材料制备、纤维织物能源器件结构设计以及能量高效采集等方面的研究。采用具有高压电系数、低成本的Pb(ZrxTi1-x)O3作为压电换能材料，高温硫化硅橡胶作为基体材料，研究了摩擦-压电复合换能材料在微纳尺度下多相分子交联规律，及其与胶体硫化、粉体分散等材料制备和后处理工艺之间的依赖关系，为高效换能材料的研制奠定基础。利用COMSOL有限元仿真软件，对器件结构和不同发电机制进行静态及响应仿真分析，二维瞬态电场分析。在考虑加工工艺具有可行性的前提下，确定出最优的器件结构参数，并通过材料改性、增强有效接触面积、经纱和纬纱的材料选取和合理的结构设计，制造了具有内部气腔式的全封闭摩擦发电单元和混合摩擦发电模式的纤维织物。通过纤维织物的经纬纱间接触-分离式摩擦、纤维内部空腔的接触-分离式摩擦、纤维与外界环境间的接触-分离式摩擦以及纤维织物自身的压电效应实现具有高发电效能的“能量衣”，其输出功率密度达到1.77W/m2。本项目实现基于人体运动机械能高效采集的摩擦-压电复合式可穿戴纤维织物，解决了低质量或体积与高输出功率不可兼得的技术难题以及纤维织物能源器件单一换能机制采集效率低下的问题，为可穿戴电子设备实现自供电技术提供了关键技术支持。