扭曲的碳纳米管每公斤输出功率高达250瓦



以机械方式获取电力是一项非常重要的任务,因为在周围世界中,有许多事物在不断运动:从海浪到人体上的衣服。 这项任务的重要性吸引了这一领域的大量研究人员。 结果,现在有几种收集机械能的方法,但是许多方法都有某些缺点。

例如,当按比例缩放到毫米尺寸时,电磁能量发生器遭受低比功率和高瓦特成本的困扰。 压电和铁电收集器非常适合高频小变形,特别是在微波频率共振时,但是它们缺乏从大变形中收集能量的弹性。 仍然有希望的摩擦电收集器,以及从流动的液体的相互作用中收集电能的方法,许多电化学方法,包括从锂电池和离子聚合物-金属复合材料收集器的变形中收集能量。

橡胶基电介质最适合从较大的机械拉伸应力中回收能量。 将弹性体薄板放在两个可变形电极之间的三明治中。 为高弹性电容器充电,电压( V)约1000 V,因此电容器接收电荷 Q。 拉伸后,橡胶电介质会变薄,而其电容性电阻会增加( C),因此电位差会发生变化 Q=。 这就是产生能量的方式。

来自德克萨斯州达拉斯大学,汉阳大学(汉城)以及其他教育机构和研究中心的一大批国际科学家使用扭曲的纳米管改进了这类柔性电介质。 在他们的帮助下,可以降低以前用于给弹性体充电的大电压。

科学家已经证明,扭曲的纳米管每公斤可输出250瓦特的功率,而无需外部电源,峰值效率为30赫兹;如果将其标准化为纳米管的重量,则每个机械周期的最高效率为每公斤41.2焦耳。

根据科学家的说法,如此高的功率输出是由于纳米管的极密旋涡。 随着自旋密度的增加,它们实际上变成了绕组-效率特性急剧提高。

下面的图1A显示了扭曲纳米管的不同方法,但实际上使用了锥形扭曲(第一个在左侧)。 收割机的直径为50到70微米。

图1F​​表明,将纳米管退绕8.5%(即500rpm)不会导致缠绕效果的损失,而只会导致缠绕直径的增加并降低由扭曲引起的密度。 但是同时,拉伸应变范围从30%增加到50%,并且取决于伸长率的电阻变化从30%增加到36%。



根据科学家的说法,此类收割机可用于不同领域:

  • 海浪的能量收集
  • 将热能转化为电能(以及热驱动的人造肌肉)
  • 纳米管可以嵌入到织物中,并用于为LED供电并为内置电容器充电

重要的是要注意,这不是纯粹的理论研究。 科学家实际上已经在扭曲的纳米管上组装了海浪产生的可运行能量发生器,并在日本海进行了测试。 在水温为13°C,波频率为0.9 Hz至1.2 Hz的情况下,圆柱体与沉降片之间的发生器的最大伸长率限制为25%。 带有重1.08 mg扭曲纳米管的10厘米模块显示峰值电压为46 mV,平均输出功率为1.79μW。 如图4B所示,当使用更多的采集器时,电压可以增加到任何值。



纳米技术研究所所长,科学著作的作者之一雷·鲍格曼博士说: “如果我们的旋风收割机价格便宜,它们就能从海浪中收集大量能量。” “但是,目前,它们最适合为传感器和感觉通信供电。” 重量仅为31 mg的扭曲碳纳米管收割机可以提供所需的能量,使其在物联网上每10秒传输2千字节数据包,最大传输100 m。”

该科学文章于2017年8月25日发表在《 科学 》杂志上(doi:10.1126 / science.aam8771, pdf )。 它描述了扭曲纳米管的制造过程。 这篇文章的29位作者中有来自德克萨斯州理查森市美国Lintec纳米科学与技术中心的尤利娅·比科娃(Yulia Bykova),这也很不错,毕竟,俄罗斯的教育体系仍然给出了某种结果。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN406239/


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