Steigerung des Ladungstransfers in gestrickten Triboelektrischen Nanogeneratoren durch Oberflächenmorphologie-Analyse

Zusammenfassung

Die Ernte biomechanischer Abfallenergie bietet einen vielversprechenden Ansatz zur Verbesserung der Stromversorgung tragbarer Geräte zur Verlängerung ihrer Lebensdauer. Die Oberflächenmorphologie ist ein signifikanter Faktor zur Steigerung der Ausgangsleistung triboelektrischer Nanogeneratoren (TENGs); jedoch gibt es Einschränkungen bei der Bewertung der Oberflächenmorphologie und ihrer Auswirkung auf die Stromerzeugung. Zur Evaluation der Beziehung zwischen Oberflächenmorphologie und Transferladung wurde die Fraktalgeometrie-Theorie vorgeschlagen, um die Charakteristika irregulärer Oberflächenmorphologie zu analysieren. Diese Theorie ermöglichte ein gutes Verständnis der Kontaktfläche und Rauheit der Oberfläche. Wir entwarfen drei Kategorien von Strickstrukturen mit Kordelerscheinung mittels Flachstrickmaschine und analysierten deren Oberflächencharakteristika. Gleichzeitig können die geometrischen Strukturen durch die Fraktaldimension zur Bewertung der erzeugten Ausgangsleistung während Kontakt und Separation demonstriert werden. Die vorliegende Forschung zeigt, dass mit zunehmender Anzahl gestrickter Einheiten die triboelektrische Stromerzeugungsleistung kontinuierlich abnimmt, da die verfügbare Kontaktfläche abnimmt. Nach Berechnung der Fraktaldimension verschiedener Strickstrukturen zeigen m*n-Rippenstrukturen hohen Transferladung, wenn die Fraktaldimension nahe an eins liegt – besonders die 1*1-Rippenstruktur erreicht eine Fraktaldimension von 0,99. Die Fraktaltheorie kann weiter als Ansatz zur Bewertung des Einflusses irregulärer Oberflächenmorphologie auf die Ausgangsleistung verwendet werden, unabhängig von der Ablenkung gleichmäßiger Konvex-Einheiten. Die Ergebnisse demonstrieren auch die Machbarkeit eines strickbasierten triboelektrischen Nanogenerators zur Ernte biomechanischer Energie für die Stromversorgung tragbarer Elektronik, integriert in Kleidungsstücke.

Einleitung

Fortgeschrittene Intelligenztechniken haben die globale Welt erfasst und neuartige flexible smarte Wearables hervorgebracht: Gesundheitstracking-Sensoren, Gesten-Erkennungsgeräte, elektronische Haut (E-Skins), flexible Schaltungen, optische Faser-Wearables. Doch mit Nachteilen wie hohem Gewicht, niedrigem Wandlungsgrad, schwerer Umweltbelastung und kurzer Batterielebensdauer ist die Stromversorgung die enorme Limitation für die Elektronikentwicklung. Seit dem ersten erfolgreichen Triboelektrischen Nanogenerator (TENG) 2012 bietet dieser – basierend auf kleinem Maßstab, Leichtgewicht, vielfältigen Materialien, Sicherheit, Umweltvorzügen und hohem Wirkungsgrad – eine vielversprechende Strategie zur Bewältigung dieser Hürden. Mit dem rasanten Aufkommen von TENGs, die durch gekoppelten Effekt von Kontaktelektrifizierung und elektrostatischer Induktion arbeiten, etablierte sich dies als begehrter Ansatz zur Gewinnung mechanischer Energie aus der Umgebung – besonders durch Ernte niederfrequenter, irregulärer Bewegungen (Wind, Wassertropfen, menschliche Bewegung, biomechanische Energie), Realisierung von Datenübertragung und Stromversorgung im Internet der Dinge (IoT). Für Wearables sind Textilien als Substrat ideal aufgrund struktureller Erhaltung, Ermüdungsbeständigkeit, Weichheit, Integrationsfähigkeit und hoher Porosität. Die Integration von TENG und traditionellem Textil ist ein vielversprechender Kandidat für menschzentrierte Wearables: selbstversorgende flexible Sensoren, Wearable Energy Harvester, textilbasierte Energiespeichersysteme. Dies verleiht konventionellen Textilien Funktionalität, Intelligenz und hohen Mehrwert. Diese textilbasierten Elektronikgeräte erfüllen Anforderungen an Leichtgewicht, Kostengünstigkeit, Komfort, Atmungsaktivität, Tragbarkeit, Langlebigkeit und Waschbarkeit für den Alltag. Zudem lassen sich Textilien leicht in variablen Farben und reichhaltigen Mustern gestalten – attraktiv für intelligente Textilien. Besonders Stricktextilien mit geringer Dehnung und großer Verformung sind sensitiv für Signalgenerierung, ideal für flexible Sensoren, Überwindung von Bewegungswiderstand und Reduktion von Energieverlust. Zusätzlich sind Reibung und Verformung von Stricktextilien gängige Phänomene – ein spannender Ansatz für TENG-Konstruktion.

Wie bekannt, ist Oberflächenmorphologie-Modifikation ein signifikanter Ansatz zur Steigerung der TENG-Ausgangsleistung. Meist zielt man auf Erhöhung der verfügbaren Kontaktfläche und Oberflächenrauheit. Zwei primäre Methoden ändern die Oberflächenmorphologie: Oberflächenätzen und Oberflächenreplikation. Der Einsatz hochteurer, begrenzter Behandlungsflächen und mehrstufiger Fertigungstechniken zur Erzeugung von Oberflächenerscheinungen ist für industrielle Produktion schwierig. Li et al. untersuchten einen PDMS-Film mit Oberflächenmikrostrukturen, abgezogen von Schleifpapier – ein einstufiges, kostengünstiges Verfahren zur Herstellung unterschiedlicher Oberflächenrauheiten. Experimentelle Ergebnisse zeigten maximale Ausgabe von 46,52 V bei Rauheitsklasse 3000, detektiert mit 3D-optischem Oberflächenprofilometer. Zu viele Mikrostrukturen können jedoch die effektive Kontaktfläche stark verringern und die Leistungsfähigkeit reduzieren. Die TENG-Größe war durch Schleifpapierfläche limitiert, was Fertigungskosten erhöhte. Heutzutage erhalten Textilstrukturen zunehmende Aufmerksamkeit aufgrund Bildung reichhaltiger Oberflächenerscheinungen ohne komplexe Fertigungsprozesse und hohe Kosten. Für vollständiges Verständnis textiler Oberflächenerscheinungen müssen Faktoren wie Fadenaussehen, textile physikalische Parameter und Strickstrukturen berücksichtigt werden. Kwak et al. untersuchten Kontaktfläche dreier Strukturen (Plain-, Double-, Rippengewebe) während Dehnung und diskutierten Beitrag zur Potenzialsteigerung. Rippengewebe kann bis 30 % gedehnt werden, vergrößert Kontaktfläche auf 180 cm². Durch vorhandenen Mittelbereich kann Rippengewebe stark gedehnt werden, was höheres Potenzial für Kontaktflächenvergrößerung bietet. Als Primärelement der Textilstruktur wurde die Charakteristik von Maschen analysiert – signifikanter Faktor für Beeinflussung der Oberflächenerscheinung. Huang et al. fokussierten auf Grundparameter von Textilien (Maschenbeine, Maschenversenkungen, Textildichte) zur Bestätigung des Unterschieds in Ausgangsleistung. Große Maschendichte-Gewebe-basierte TENG erzeugte höhere elektrische Energie mit maximaler Spitzenleistungsdichte von 203 mW m⁻² bei 80 MΩ – größere effektive Kontaktfläche. Ergebnisse zeigten, dass Oberflächenmorphologien verschiedener Gewebestrukturen die elektrische Ausgangsfähigkeit beeinflussen. Um mehr Energie für längere Lebensdauer zu ernten, wurden 3D doppelseitige Interlock-Stichtextilien mit Doppel-Nadelbett-Flachstrickmaschine gestrickt, die gleiche Ausgangsleistung auf Vorder- und Rückseite zeigten. Zudem konnten TENGs basierend auf 3D-Textilstrukturen hohe Leistungsdichte von 3,4 mW m⁻² bei 200 MΩ externem Widerstand erzeugen – verbesserte Energieerntekapazität. Die oben genannten Oberflächenerscheinungen haben jedoch wenig Darstellung der Geometrieform der Oberfläche, und Faktoren zum generierten Transferladung leiden noch unter fehlenden spezifischen Erklärungen. Es gibt keine universelle Methode zur Charakterisierung der Oberflächenerscheinung – eine Evaluierung irregulärer Morphologie ist nötig. Das ist die aktuelle Limitation für vollständiges Verständnis des Transferladung im TENG.

Ziel der Oberflächenanalyse ist Charakterisierung textiler geometrischer Strukturen, testbar in zwei Ansätzen: Kontaktmethode und optische Methode. Kontaktmethode beschreibt Oberflächenmorphologie gut, benötigt aber viel längere Zeit, und die Nadel hinterlässt Spuren. Im Vergleich dazu bietet die optische Methode Vorteile: kurze Messzeit, geringe Oberflächenbeanspruchung, einfache Detektion – genutzt für Rauheitsdetektion. Allerdings können falsche Lücken und hohes Rauschen die Beurteilung der echten Oberflächenmorphologie reduzieren.

Das mathematische Werkzeug ist eine Theorieanalyse zur Quantifizierung des Grads der Oberflächenrauheit. Ein neuartiger Ansatz zur Evaluierung irregulärer Oberflächen. Bei solch unebenen Oberflächen kann die konventionelle euklidische Geometrie nicht verwendet werden, da quantitative Geometriedimension und Messgenauigkeit (Segmentlänge, Objektgewicht) schwer zu beurteilen sind. Fraktalgeometrie – von Mandelbrot benannt für Beschreibung irregulärer Strukturen – löst das Problem und definiert Irregulärität in der Natur: physikalische Eigenschaften von Schäumen, Evaluierung von Gewebeglätte. Fast alle rauen Oberflächen lassen sich in selbstähnliche Teile unterteilen, darstellbar durch eine nicht-ganzzahlige Dimension – Fraktaldimension (D_f). Basierend auf verschiedenen geometrischen Oberflächen muss der Wert von D_f berücksichtigt und analysiert werden, der Einfluss auf Rauheit und effiziente Kontaktfläche im TENG-Design hat, um Kapazität der Umwandlung menschlicher Bewegungen in Elektrisches zu optimieren.

In dieser Arbeit präsentieren wir verschiedene Oberflächenmorphologien basierend auf Strickstrukturen als eine der dielektrischen Schichten. Der stricktextilbasierte TENG wurde mit kommerziellen Fäden und industrieller Strickmaschine gefertigt – ermöglicht Großserienproduktion und praktische Anwendungen. Um Handflatterbewegungen zu imitieren, sind TENGs im Kontakt-Trenn-Arbeitsmodus (CS) konzipiert – einfachster Arbeitsmechanismus. Strickstrukturen entstehen in zwei Ansätzen: struktur- und formbasierte konvex-konkave Oberflächenmorphologie. Aufgrund der Vielfalt der Strickstrukturen können resultierende Oberflächenerscheinungen systematisch untersucht und analysiert werden zur Bestätigung der Beziehung zwischen Oberflächenmorphologie und Strickstrukturen. Die D_f jedes Gewebes kann durch geeignetes Fraktalprinzip berechnet werden, zur Bewertung der Gewebeflächenrauheit. Die maximale Transferladung der Oberflächenerscheinung in 1*1-Rippenstruktur erreicht bis zu 91,66 nC durch Flattern und Loslassen, mit Fraktaldimension 0,99. Ein interessantes Phänomen: Mit D_f-Wert nahe eins kann Transferladung höher sein. Schließlich bieten Fraktaltheorie und Strickstrukturen effektive Methode zur quantitativen Evaluierung der Transferladung und sollen helfen, stricktextilbasierte TENGs mit höherer Effizienz, industrieller Produktion und kostengünstig zu designen.

Materialien und Methoden

Materialien

Nylongarne (dtex 600, AnTong KeJia Textile Faserprodukte Co., Ltd.) wurden auf Vollgarntmaschine (SHIMA Seiki Co., Japan) mit Feinheit 15 (Nadel/Zoll) in zwei Arten von Rippen- und Konvextextilien verstrickt. Polytetrafluorethylen (PTFE)-Film mit 0,05 cm Dicke (Chenqi Elektrische Technik Co. Ltd.) wird verwendet. Gebogener und verdrillter Elektrode ist kommerzielle Kupferfolie (Shenzhen Biaozhitape Co. Ltd) mit 0,06 mm Dicke, aufgeklebt auf Rückseite des Stricktextils für Transfer polarisierter Ladung.

Herstellung der Stricktextilien und Stricktextil-basierten Triboelektrischen Nanogeneratoren

Die Schuss-Technik als repräsentative Strickmethode verleiht Textilien leicht hohe Dehnbarkeit, niedrige Kosten und ästhetische Leistung. Mit Vorteilen der Position-Stricktechnik können Power-Textilien ohne zusätzliche Nähtechniken in Kleidung integriert werden. Zehn konvex-konkave Texturen sind in Tabelle 1 dargestellt. Zur Demonstration der Beziehung zwischen Oberflächenmorphologie und Transferladung werden Längs- und Querkordeln auf Textiloberfläche gestrickt. Zehn verschiedene Texturen in Tabelle 1: erste sieben Proben zeigen Längskordel, Proben 8, 9, 10 Querkonvex. Strukturen werden mit computergesteuerter Flachstrickmaschine gestrickt – geeignet für hocheffizienten industriellen Prozess, Textilien auf Maß anpassbar. Über eigenes Designsystem können Stoffe schnell entworfen und einfach hergestellt werden, besonders für komplexe Muster. Alle Stoffe müssen 24 h unter Standardatmosphärenbedingungen ruhen für Entspannung in größenstabilem Zustand – Zweck: Reduktion von Entspannungsschrumpfung und Erhöhung der Testgenauigkeit. Dann wird gleich große leitfähige Band auf Textilrückseite aufgeklebt. Basierend auf hochpolarisierbaren Nanopartikeln wird PTFE-Film als anderes dielektrisches Material verwendet. Film haftet auf Kupferfolie für Elektronenmigration. Für CS werden Leitdrähte an zwei Reibungsmodelle angeschlossen, die sich in vertikaler Richtung bewegen. Dann wurden CS-basierte Textil-TENGs gefertigt.

Fraktale Charakteristika der Stricktextilien

Nicht alle natürlichen Objekte haben unregelmäßige Form und Grenze: Küstenlinie, Schneeflocke, Wolke, Blatt. Daher wird Fraktaldimension zur Beschreibung unebener Morphologie verwendet, die durch verschiedene Methoden erzeugt wird – effektive Methode, identifiziert in vielen Forschungsarbeiten. Es gibt mehrere Formulierungen für Fraktaldimension: Hausdorff-Dimension, Box-Counting-Dimension, Ähnlichkeitsdimension – entscheidender Parameter zur Quantifizierung des Oberflächenstils. Typische Fraktaldimension war die Koch-Kurve wie Schneeflocke, erstmals 1904 vorgestellt. Der von drei Selbstähnlichkeiten mit Unendlichkeit begrenzte Bereich heißt Koch-Kurven, Fraktaldimension 1,2618. Allgemein kann Fraktaldimension über Skala a berechnet werden, die Länge, Breite, Fläche anzeigt. Folgende Formel stellt Beziehung dar: F(a) ≈ a^{D_f} (1-1), wobei D_f die Fraktaldimension ist, die in der Steigung eines Log-Log-Plots exhibiert wird.

Die unebene Oberflächen-Fraktaldimension D_f kann über Hausdorff-Dimension basierend auf Relativgrößenanalyse einer ähnlichen Einheit bestimmt werden. Als Faktor für Kordeloberflächenbildung kann der konvexe Bezirk, der mehrere Mikro-Konvex-Struktureinheiten mit unterschiedlichen Kanten und Anzahl umfasst, ausgedrückt werden als: M = N^{D_f} (1-2), wobei M Anzahl der Konvex-Einheit, N die wiederholte multiple selbstähnliche Einheiten (Länge der Konvex-Einheiten zu Länge der Gesamtproben), D_f die Fraktaldimension der aufgerichteten Strukturen. Die Gleichung ist ein Modell zur Vorhersage der Oberflächenmorphologie, so: D_f = log M / log N (1-3).

Charakterisierung

Dino-lite Edge Digitalmikroskop (AnMo Electronic Corporation) wurde zur Messung der Dichte der Stricktextilien aus Fotoaufnahmen verwendet. Elektrische Signale des Stricktextil-TENGs im Kontakt-Trenn-Modus wurden mit selbstassembliertem Linearmotor und Elektrometer (Keithley 6514 System) basierend auf LabVIEW-System betrieben.

Ergebnisse und Diskussion

Zur Bestätigung der Reibungsmaterialien ist die triboelektrische Reihe die signifikante Referenz, die die triboelektrische Polarisation verschiedener gängiger Materialien quantifiziert. Die triboelektrische Reihe zeigt, dass eine Seite Ladungsgewinnkapazität aufweist, die andere hohe Fähigkeit zum Elektronenverlust – definiert als fundamentale Materialleistung. Für herausragende Ausgangsleistung werden Materialpaare ausgewählt, die in der triboelektrischen Reihe mit beträchtlicher Distanz attribuiert sind, um Potentialdifferenz zu erhöhen. Hier: kommerzielles, kostengünstiges, excellentes Abriebfestigkeit und stark positiv geladenes Nylon; negativ geladenes PTFE. In dieser Arbeit wurde PTFE-Membran ohne Oberflächenbehandlung gewählt. Der einzige Faktor sind Strickstrukturen, analysierbar durch Transferladungsleistung. Kritisches Element: Elektrodenmaterial Kupferfolie mit hoher Flexibilität, direkt aufklebbar – einfacher, einstufiger Fertigungsprozess. Im Vergleich zu Edelmetallen Silber und Gold ist Kupferfolie kostengünstig für wirtschaftliche Produkte. Kupfer weit verbreitet als flexible Schaltungen und Elektroden in Smart Devices.

Derzeit gibt es vier universelle Arbeitsmodi für TENGs entsprechend unterschiedlichen Elektrodenstrukturen und Bewegungen. Mit Vorteilen einfacher Fertigung, reichhaltiger Materialauswahl, reziproker vertikaler Bewegungen sind CS-TENGs zuerst tiefgehend untersucht mit Potenzial für Ernte biomechanischer Energie: Händeklatschen, Gehen, Laufen. Zur Untersuchung des Einflussprinzips der Oberflächenstrukturen wurden TENGs basierend auf Stricktextilien (KNGs) entworfen, entsprechend Kontakt und Trennung zwischen Nylontextil und PTFE-Film. Montageprozess des TENGs in Abb. 1a: Stricktextilien, PTFE-Membran, Kupferfolie. Vielseitigkeit flexibler Stricktextilien bezüglich Kapazität zu Kräuseln (Abb. 1 bi), Biegen (Abb. 1 bii), Drapieren (Abb. 1biii), Falten (Abb. 1biv) in jede Richtung, in verschiedenen Maßstäben (Abb. 1b). KNGs können basierend auf Anwendungsposition und Ästhetik der Kleidung designed werden. Vielfalt der Strickstrukturen mit unterschiedlichen Oberflächenerscheinungen gestrickt, Fotografien in Abb. 1c.

Betriebsmechanismus der KNGs einfach dargestellt in Abb. 2a. Zur Messung der Transferladung: maximaler Abstand und Frequenz des Linearmotors auf 10 cm und 0,3 Hz für Simulation von Handflatterbewegungen. Für gängige Überwachung: Leerlaufspannung (Voc), Kurzschlussstrom (Isc), Transferladung (Qsc) gemessen mit mechanischem Linearmotor. Im Originalzustand (Abb. 2 ai): Nylontextil erzeugt positive Ladungen, PTFE-Film negativ geladen durch elektrostatische Induktion und Ladungserhaltung. Bei Pressung (Abb. 2 aii): Schrumpfung des Spalts zwischen beiden Kontaktflächen führt zu positiver Ladungsakkumulation in Elektrode auf PTFE. Elektronen fließen aus externem Kreis für Potentialausgleich. Bemerkenswert: Äquivalente Elektronenmenge bleibt auf Kontaktfläche, da beide Dielektrika Isolatoren sind (Abb. 2 aiii). Bei PTFE-Rückbewegung (Abb. 2aiv): Prozess kehrt um, elektrisches Gleichgewicht wiederhergestellt zwischen Nylontextil und PTFE – Ladungsneutralisation. Elektronen fließen zurück für elektrische Potentialdifferenzen. KNGs erzeugen Isc und Voc mit periodischem Wechsel, Abb. 2b,c. In Abb. 2b,c zeigt Inset vergrößerten Graphen für einen Zyklus.

Zur Fertigung konvexer Strukturen auf Textiloberfläche zwei Methoden: Strukturdesign und Formbildung, Abb. 3. Strukturdesign abhängig von unterschiedlichem Anteil Gesichtsschlingen und Rückenschlingen. Gesamte Proben in sieben Rippenarten designed: m*n (m=n=1,2,3,4) in Abb. 3a und 2*m (m=1,2,3,4) in Abb. 3b. Rippe hat vertikale Kordelerscheinung durch Gesichtsschlingenwalen, die über und vor Rückenschlingenwalen tendieren; Kordelmaximalhöhe bis 0,2 cm. m*n-Rippe (m=n=1,2,3,4) durch abwechselnde Walen von Gesichtsschlingen auf jeder Seite ausbalanciert – liegt flach ohne Kräusel nach Zuschnitt. Beide Textilseiten gleiche Erscheinung (Abb. 3e). Unterschiedliche Anteile Gesicht/Rückenschlingen in 2*m-Rippenstrukturen erzeugen unterscheidbare Oberfläche (Abb. 3f). Dehnprozess von Rippengewebe in zwei Stufen: Rückenschlingenwalen verketten auf beiden Seiten bis Dehnung offenbart Rückenschlingenwalen dazwischen, dann ganze Schlingen weiter gedehnt über doppelte Breite äquivalentem Einzelgewebe. Im Vergleich zu Plain-Geweben haben Rippengewebe Potenzial zur Erhöhung dehnbarer Fähigkeit für Ernte von Flatter- und Dehnbewegungen (Quer- und Längsrichtung) im Kontakt-Trenn-Arbeitsmodus. Andere Methode für Erhöhungstruktur: Formverformung, wobei Luftschicht auf Oberfläche von n (n=4,5,6) Textil gebildet wird (Abb. 3c). Querschnittsbereichsdicke 0,15–0,3 cm. Charakteristik der Luftschicht: prominente Bogenstruktur, Raum für Beschleunigung Elektronentrennung bei Auslösbewegungen. All oben Genannte: Stricktextilien durch computergesteuerte Flachmaschine designed – Strickortgenauigkeit, Ganzkleidungsfertigung, perfekte Integration smarter Materialien in Stoff. Stricktechnik-Nomenklatur in Abb. 3d korrekt dargestellt.

Frühere Arbeiten demonstrierten, dass effektive Kontaktfläche der Vorderseite deutlich größer als Rückseite – Transferladung doppelt so hoch wie Rückseiten-Ausgangsleistung. Grund: Nadel-Schlingenlänge länger als Versenkerschlinge. Daher zur Steigerung der Ausgangsleistung und Erstellung nur eines Einflussfaktors: Kontakt-Erhöhungsstrukturen bestehen aus Vorderseiten-Schlingen. Ausgänge der KNGs abhängig von Anzahl Konvex-Einheiten in Abb. 4. Abnehmender Trend: Kontaktfläche aller experimentierten Textilien nahm mit Anzahl Erhöhungseinheiten ab. Signifikanteste elektrische Ladungen in sequenzieller Reihenfolge: 1*1-Rippe, 2*1-Rippe, vier-Nadel-Formtyp-Strukturen (erster Punkt jeder Linie) mit Werten 91,66 nC, 90,19 nC, 69,64 nC.

Dann Strickstruktur mit unterschiedlicher Oberflächenmorphologie in Aspekten diverser Walendichte, Anzahl Vorderseiteneinheiten, Strukturen untersucht. Alle Parameter zehn Stricktextilien getestet und in Tabelle 2 aufgezeichnet. Bemerkenswert: Kursdichte immer konstant, da Kordelerscheinung in vertikaler Richtung wächst bei Analyse Proben 1–7. Walendichte als Hauptfaktor für Diskussion bezieht sich auf Merkmale verschiedener Strickstrukturen. Offensichtlich: Gesichtsschlinge und Rückenschlinge gleiche Anteile in Nr. 1–4, ~50 %. Diese Textilien zeigen gleiche Strukturen unabhängig von Vorder- oder Rückseite basierend auf Doppelstich-Stricktechnik. Durchschnittliche Dicke höher im Vergleich zu Proben 5–7 mit unterschiedlicher Anzahl Gesichts- und Rückenschlingen. Textur Nr. 4 größte Rippeinheit – Walendichte doppelt so groß wie Nr. 1. Aber Anzahl Vorderseiteneinheiten im praktischen Gewebe fast halb so groß wie Nr. 1. Grund: mehr Versenkerschlingen dehnen sich miteinander, sodass Säulenerscheinung gebildet wird. Mit steigender Strickeinheit nehmen Säulendurchmesser und Gewebedicke zu – Abnahme der Vorderseiteneinheiten und effizienten Kontaktfläche bei Auslösbewegungen. Bei Rippenstruktur mit unterschiedlichen Anteilen Gesicht/Rückenschlinge zeigt Erscheinung Charakteristik einzelseitiger Struktur offensichtlich, mit steigender Rippeinheit. Walendichte Nr. 7 so groß wie Nr. 1 und 5, aber Anzahl Gesichtsschlingeneinheiten unterscheidet sich deutlich da Strickeinheit sechs Schlingen – viel mehr als Nr. 1 (2 Schlingen) und Nr. 5 (3 Schlingen), daher Ausgangsleistung niedriger als Nr. 1 und 5. Ergebnis: Rippenstrickgewebe Nr. 1 repräsentiert meisten Gesichtsschlingeneinheiten in Nr. 1–10 während Kontakt-Trenn-Bewegungen.

Andererseits: Formtyp-Stricktextil designed durch unterschiedliche Anzahl Schlingen, die zum Gesamtgewebe assembliert werden, bilden Bogenstrukturen. Da Kordellänge horizontal, zeigt Walendichte des Gewebes annähernde Stabilität in Querrichtung. Bogenstruktur bietet Ansatz für Ladungstrennung auf Oberfläche, mit hohlem Innenraum. Effizienz der Ernte verschwendeter Mechanikenergie verbessert. Generell zur Steigerung der Ausgangsleistung: Bogentyp aus flexiblen Materialien mit perfekter Elastizität und Haltbarkeit (z. B. Silikonsubstrate), aber schwer in industrieller Strickmaschine für kommerzielle Anforderungen zu stricken. Bei bogenbasiertem Stricktextil in Vorarbeiten: Konstruktion musste genäht oder geklebt werden – komplexer, zeitaufwändiger Prozess. Wir präsentierten Strickbogen-Textil, hergestellt durch Ganzformtechnik ohne Zweitfertigung – hohe Produktionseffizienz. Unter horizontalen Kordelstrukturen zeigt 0,3 cm Höhe niedrigste Ladungsausgabe im Vergleich zu vier-Nadel und fünf-Nadel horizontaler Kordelstruktur mit Höhe 0,15 cm und 0,2 cm – beeinflussbar durch geringe Steifigkeit gestrickter Textilien bei großem Abstand zwischen beiden festen Enden. Höchste Konvexform schwer, Bogenform bei Druckkraft zu halten und in Urform zurückzukehren – führt zu Ladungsneutralisation. Verringerung der Bogenhöhe erhöht Toleranz konvexer Strukturen. Solche Formtyp-Kordeln reduzieren jedoch effektive Kontaktfläche – Linientyp mit geringerem Bereich als echter Kontakt, verringert elektrische Ausgangsleistung.

Schlingen haben irreguläre Strukturen – Evaluierung ihrer Geometrieeigenschaften (Maschengröße, Oberflächenform) herausfordernd. Zur Identifizierung der Irregulärität der Schlingen kann traditionelle Evaluierung (ganzzahlige Dimension) nicht genutzt werden. Fraktaltheorie vorgeschlagen zur Analyse der Kategorie der Irregulärität in Umgebung und Natur. Vorgeschlagenes Konzept der Fraktaldimension exzellentes Werkzeug für Darstellung komplexer Morphologie – präsentiert Regeln, Komplexität, Rauheit der Textiloberfläche. Da nicht alle Fraktale vollständig selbstähnlich, mathematische Berechnung zur Argumentation der Geometriekonfiguration. Zum Verständnis der Strickstrukturoberfläche visualisieren Bilder Informationen in Abb. 5d. In Abb. 5d kann Charakteristik konvexer Oberfläche intuitiv aus verschiedenen Perspektiven beobachtet werden – Evidenz für Bestätigung der Erhöhungsmorphologie.

Unebene Oberfläche durch Strickstrukturdaten verursacht durch Garnmorphologie und Strukturdesign. Fraktalgeometrie effiziente Berechnung für Evaluierung Textiloberfläche und Verständnis Charakteristik Strickstrukturen und Fähigkeit triboelektrischer Ladungsgenerierung. Tatsächlich kann mit Zunahme der Erhöhungseinheit unebenes Stricktextil durch Oberflächenformmodifikation verbessert werden. Obwohl alle Stricktextilien Konvexstrukturen in Längs- und Querrichtung besitzen, ist Grad der Selbstähnlichkeit nicht bestätigt – signifikanter Referenzwert für erfolgreiche Fraktaldimensionsanwendung. Zur Abschätzung Machbarkeit Fraktaldimension: alle Stricktextilien berechnet durch Messen Breite der Konvex-Einheit, Größe der Schlingen in Länge und Breite bei stabiler Textilgröße. Abb. 5a,b,c zeigen Anpassungskurve Fraktaldimension Nr. 1–10 Gewebe – Steigung einer Linie bedeutet Fraktaldimension. Existenz der Beziehung in Konvexstrukturen zehn verschiedener Stricktextilien bestätigt Fraktalcharakteristik zehn Stricktextilien. Daher Fraktaltheorie in Analyse diverser Strickstrukturen praktikabel.

Abb. 6a–f illustriert generierten Isc und Voc basierend auf praktischen Anwendungen Kontakt-Trenn KNGs, basierend auf Struktur- und Formtypen. Trend: Abnahme mit Strickeinheitszunahme bei Isc und Voc (Abb. 6a–f). Grund: Isc ändert sich mit effektiver Kontaktfläche, beeinflusst durch Strickstrukturen.

Bei Berechnung D_f verschiedener Strickstrukturen: untersuchte Strickstruktur zeigt unterschiedliche Strickstrukturen haben ungleichen Wert, nicht-ganzzahlige Dimension aufgrund verschiedener Komponenten von Konvex (Abb. 6g). Abb. 6g: Transferladung vs. Fraktaldimension Kurve diverser Strukturen. Rippenstruktur präsentiert wünschenswerte Ausgangsleistung und Fraktaldimension nahe Wert eins. TENGs basierend auf Struktur-Typ Stricktextilien haben höhere Transferladung als Formtyp und D_f-Wert m*n-Rippentyp, 2*n-Rippentyp, n-Typ in Bereichen 0–2, 0–1, 1–2. Allgemein symbolisiert Fraktaldimension Grad der Oberflächenrauheit – Rauheit steigt mit großem D_f. Formtyp-Gewebe jedoch in horizontaler Kordel mit kleiner Linien-Kontaktfläche designed, so Rauheit hat wenig Einfluss auf Transferladung.

Zur Demonstration Einfluss auf D_f von Konvexstruktur-Homogenität in Rippenstrukturen: zufällige Seitenlänge gewählt und berechnet. Ergebnis: ε(a*b) = M(l*b) (1-4), N = a/l (1-5), wobei a Länge Gesamtgewebe, b Breite Konvex-Einheit = Breite Gesamtgewebe, l Länge Konvex-Einheit, M Anzahl Konvex-Einheit, N wiederholte multiple selbstähnliche Einheiten (Länge Konvex-Einheiten zu Länge Gesamtproben), ε Anteil Gesichtsschlinge/Rückenschlinge = Uniformität der Konvex-Ablenkung. Dann Berechnung M und N in Formulierung (1-3) – erhaltenes D_f nicht identisch mit D_f basierend auf tatsächlicher Messlänge (Tabelle 3). Unabhängig von Verteilung der Erhöhungsstruktur wird D_f-Wert durch praktische Länge und Anzahl Kordeln beeinflusst.

Bemerkt: Fraktaldimension 2*1-Rippenstruktur nahe 1*1-Rippe erreicht 0,99 – Transferladung fast identisch (Abb. 6g). Erzeugte elektrische Ausgangsleistung höchst bei D_f nahe Wert eins. Dies liefert Hypothese: Fraktaldimension kann Oberflächenmorphologie evaluieren und Ausgangsleistung charakterisieren. Zur Untersuchung Korrelation Fraktal und Transferladung: Differenz zwischen Fraktaldimension und Wert eins (F-Wert) in Abb. 6h illustriert. Betriebsergebnisse zeigen Trend: Abnehmender F-Wert boostet deutlich höheren Voc – Evidenz für potenzielle Anwendung Fraktaldimension. F-Wert als Evaluierung Rauheitsstrukturen, muss Eigenschaften Primärschlinge der Struktur berücksichtigen. Dann Einfluss auf Transferladung umfassend diskutiert. Probe Nr. 4 und Nr. 6 ähnlicher F-Wert, aber massiver Unterschied in Ausgangsleistung. Oberflächenmorphologie Nr. 4 zeigt planare Struktur durch gleiche Anzahl Gesichts- und Rückenschlingen – Transferladung niedrig. Nr. 6 hat prominente Erscheinung durch Rückenschlingen über Gesichtsschlingen – große Transferladung bei Kontakt-Trennung. Daher Auswahl und Design Strickstruktur basierend auf F-Wert verbessert generierte Gesamtladung erheblich – unverzichtbare Anforderung für Konstruktion hocheffektiver flexibler Selbststromgeräte basierend auf Stricktextilien.

Fazit

Wir demonstrierten, dass Stricktextil mit hoher Flexibilität und exzellenter Transferladung in flexiblen TENGs für Ernte irregulärer und niederfrequenter biomechanischer Energie anwendbar ist – herausragende Ausgangsleistung. Zur Identifizierung Beziehung zwischen Oberflächenmorphologie und Ausgangseigenschaft wurde Fraktaltheorie verwendet zur Quantifizierung Oberflächengeometrie und Evaluierung Einfluss auf Transferladungsfähigkeit der Oberflächenerscheinung. Verschiedene Strickstrukturen gefertigt zur Analyse ihrer Auswirkung auf Energieernte. Aus Aspekt Strickeinheit: Maximale Ausgabe 1*1-Rippenstruktur erreicht 213 V mit minimaler Strickeinheit. Zusätzlich zum Verständnis Arbeitsmechanismus und Geometrie Kontaktbereich: verschiedene Strickstrukturen in Fraktaldimension illustriert – distinct von traditioneller Dimension. Durch Berechnung: verschiedene Strickstrukturen mit identischen Strickeinheiten können Fraktaldimension mit gleichen Strickeinheiten erhalten. Erzeugte elektrische Ausgabe kann mit Fraktaldimension nahe Wert eins erhöht werden. Daher Differenz zwischen Fraktaldimension und Wert eins nutzbar in Evaluierung Transferladungsfähigkeit gemäß irregulärer Oberfläche. In naher Zukunft erwartet: Evaluierung für Erzeugungsausgabefähigkeit basierend auf Fraktaltheorie in Konstruktion TENG, Erreichen maximaler Ausgangsleistung zur Optimierung flexibler Selbststromsysteme für Ernte verschwendeter menschlicher Bewegungen im Alltag.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

Abkürzungen

E-Skins:

Elektronische Haut

IoT:

Internet der Dinge

PDMS:

Polydimethylsiloxan

TENG:

Triboelektrischer Nanogenerator

PTFE:

Polytetrafluorethylen

D_f:

Fraktaldimension

CS:

Kontakt-Trenn-Arbeitsmodus

KNG:

Triboelektrischer Nanogenerator basierend auf Stricktextil

Voc:

Leerlaufspannung

Isc:

Kurzschlussstrom

Qsc:

Transferladung

F-Wert:

Differenz zwischen Fraktaldimension und Wert eins