支撑激励引起的强迫振动(用于能量收集和振动控制的多功能超材料)

Posted 2023-05-27

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支撑激励引起的强迫振动(用于能量收集和振动控制的多功能超材料)

用于能量收集和振动控制的多功能超材料

超材料是人工设计的复合材料，其特性来自内部的微结构和纳米结构，而不是天然材料中的化学成分。因此，超材料结构能够实现通常无法使用传统材料发现或化学制造技术创建的特性和功能。超材料架构可以用一种或多种材料制成，用于结构（例如，拓扑变形、弹性波和振动操纵）和非结构功能（例如，光学、声学和电控制）。

不同种类功能的组合使多功能超材料 (MFM) 可用于材料或结构需要同时执行两个或多个功能的各种应用。一个有前途的工程应用是一种多功能超材料，它能够有效地防止低频范围内的不需要的噪音和/或振动，同时用纳米发电机收集捕获的机械能。

在最近发表于Advanced Functional Materials的一篇论文（“Multifunctional Metamaterials for Energy Harvesting and Vibration Control”）中，密歇根州立大学软机械和电子实验室研究人员提出了一种基于摩擦纳米发电机 (TENG) 技术的能够进行能量收集和振动控制的新型多功能超材料。

这种基于 TENG 的新型 MFM 不仅可以用于能量收集和隔振，还可以用于自供电传感。

如下图所示，多功能超材料由一系列基于 TENG 的晶胞和由丙烯酸酯制成的支撑基板组成。单元格 (12 x 12 mm) 设计为手性梁状结构，其中心质量相连 (图 1b)。采用横梁的手征结构是为了最大限度地提高振动时与基板的有效接触面积。中心质量是使用尼龙 3D 打印的，并在其背面涂上一层薄薄的铝 (Al) 薄膜/箔作为电极（图 1c）。

图 1. 提议的基于摩擦纳米发电机 (TENG) 的多功能超材料 (MFM)。a) TENG-MFM 的示意图，由一系列基于 TENG 的结构谐振器组成。在 TENG-MFM 板的中心施加外部振动载荷或声波。b) 具有中心质量并使用手征形梁与基座连接的晶胞谐振器的几何形状。c) 晶胞的层状结构示意图。谐振器使用尼龙 3D 打印，然后涂上一层薄薄的铝 (Al) 作为电极。底座由丙烯酸酯板制成，并涂有一层薄薄的铝，然后在其上沉积另一薄 PTFE 薄膜。d）接触分离模式TENG的工作机制示意图。当感应电荷出现在 Al 和 PTFE 表面时，将形成电场 E(z)，并随电荷量和间隙距离 d 变化。

另一薄层铝膜涂在丙烯酸酯板的顶面上，遵循基于中心质量的位置和大小定义的图案。之后，将薄聚四氟乙烯 (PTFE) 薄膜沉积在基板表面的铝膜上 (图 1c)。质量谐振器和底部基板之间的小间隙设计用于在施加外部激励时允许中心质量的振动运动。

由于不同的摩擦电材料对电子的吸引能力不同，Al 和 PTFE 层之间的循环接触分离相互作用会产生电荷（图 1d），并且还会由于感应静电力而影响中心质量的振动。

此外，振动频率和振幅的变化会导致输出电压/电流的变化，使其可以用作TENG-MFM附近外部机械激励的振动传感器。

TENG-MFM平板的实验装置，带有49个单元。（a）正面和正面尼龙3D打印单元的背面视图。（b）已组装单元的前视图和后视图有电流收集线的电池。（c）用于捕捉振动的激光测振仪。（d）示波器用于测量输出电压。（e）用于测试的组装TENG-MFM板。（f）振动源。（g） B&K波发生系统和计算机。

在他们的工作中，研究人员通过数值和实验研究了关键参数——几何尺寸、结构配置和材料特性——对不同激发频率下 MFM 性能的影响。他们成功地证明了他们的基于 TENG 的 MFM 可以有效地收集振动能量，显着抑制振动和弹性波缓解，甚至识别频率。

作者希望他们提出的先进智能系统可用于汽车、机器人和植入设备中的各种应用。