Triboelectric nanogenerator metamaterials for joint structural vibration mitigation and self-powered structure monitoring

纳米发生器 摩擦电效应 材料科学 超材料 振动 能量收集 光电子学 电压 带隙 声学 电气工程 能量(信号处理) 压电 复合材料 物理 工程类 量子力学
作者
Ming Yuan,Wenping Yu,Yawei Jiang,Zhenjun Ding,Zifeng Zhang,Xueyong Zhang,Yannan Xie
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:103: 107773-107773 被引量:18
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2022.107773
摘要

A metamaterial-inspired triboelectric nanogenerator (META-TENG) is proposed in this work to simultaneously realize vibration suppression and energy harvesting. The compact META-TENG can generate low frequency local resonant phenomenon and significantly reduce the incident vibration at the low-frequency band. A planar spring is created, which guarantees low-frequency resonance and a sufficient triboelectric contact surface within a small-scale device. The bandgap property of the proposed metamaterial is then calculated using the finite element method and corresponds well with the experimental measurement results. To fabricate the TENG, fluorinated ethylene propylene (FEP) film and Ecoflex are employed as the negative and positive triboelectric materials, respectively. It is found that the introduction of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) into Ecoflex is favorable for enhancing the META-TENG’s output performance, increasing the output voltage by almost three times. The charge density of the TENG can reach up to 453.1μC/m2under 5 N sinuous excitation. The periodic META-TENG configuration also exhibits satisfying vibration suppression performance, where the vibration amplitude of an aluminum plate integrating four META-TENGs is minimized by up to 87 %. The harvested energy from the META-TENG array enables an accelerometer and Bluetooth module to work in wireless mode, making the whole system achieve self-powered vibration monitoring.
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