摘要:

综述 ● 开放获取阅读更多

1.文章导读

便携式电子设备的发展使人们对柔性摩擦纳米发电机(TENG)的设计产生了浓厚的兴趣。TENG的宏观性能受到纳米尺度下表面特性和材料特性的多重影响，这一认识对于推动TENG在未来的发展至关重要。因此，东南大学机械工程学院毕可东教授课题组在SCI期刊《极端制造（英文）》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表了题为“Fiber composites-based flexible triboelectric nanogenerators: from material design to emerging applications”的文章，综述了纤维复合材料TENG的前沿进展，提出了其从材料设计到新兴应用的发展思路，对便携式电子产品领域发展具有重要意义。

图1. FC-TENG不同的应用。

2. 图文解析（创新研究/研究亮点/研究进展）

图2. 纤维复合材料摩擦纳米发电机的研究进展。

图2展示了纤维复合材料摩擦纳米发电机(FC-TENG)里程碑性进展的时间轴。自2015年静电纺丝聚偏氟乙烯掺杂氧化石墨烯的摩擦层首次提出以来，FC-TENG得到了持续而广泛的发展。本文综述了近年来静电纺丝复合材料技术制备TENG的最新科学和技术进展，深入探讨了关于摩擦层界面特性，介电常数，电子亲和力，以及晶相对TENG输出性能影响的见解。进而讨论了FC-TENG的一些新兴应用，包括可穿戴电子器件，自供电传感器，无线通讯，人机交互以及现代医疗。本综述是应对现有的挑战，考虑潜在的应用，并概述这一新兴领域的前景。从基础的材料设计到FC-TENG的一些新兴应用，旨在阐明FC-TENG发展的潜在路径，并启发向高压自驱动的自供电无线人工智能物联网时代的范式转变。

图3. 文献计量分析，数据源于谷歌学术。（a）关键词分别为“静电纺丝TENG”、“湿法纺丝TENG”以及“熔融纺丝TENG”（b）关键词分别为“静电纺丝TENG”和“静电纺丝复合材料TENG”。

运用文献计量分析工具对TENG研究热点进行了探讨。数据来源于“谷歌Scholar”，使用特定的搜索查询，重点关注具有相关信息索引的文章，出版年份限于2014-2024年。从图3(a)可以看出，自2014年以来，相关关键词的研究论文数量有明显的上升趋势。特别是静电纺丝技术的引用量远远大于其他技术。此外，如图3(b)所示，基于静电纺丝技术的TENG在FC-TENG领域占据主导地位，这表明静电纺丝复合材料将是未来柔性TENG研究的重点。静电纺丝可利用高压电场将熔融状态的聚合物溶液或熔体拉伸成微米乃至纳米级的纤维，具体结构如图4所示，主要由一个高压电源，一个注射器和一个收集器组成。注射器内有用于静电纺丝的前驱体溶液，常见的用于静电纺丝的聚合物材料如图4所示，聚四氟乙烯(PTFE)电子亲和力最强，乙基纤维素(CE)电子亲和力最弱，在摩擦起电过程中，电子亲和力强的材料趋向于得到电子，带负电，通过引入含有氧原子的基团，如羟基和氧化物，增加底部材料的极性，从而使其得电子能力变强。电子亲和力弱的材料趋向于失去电子，带正电，可通过引入导电性杂质，如金属颗粒、导电聚合物或导电碳纳米材料等，这些杂质可以提供额外的电子传导通路，增加电子的导电性和流动性，从而使材料失去更多的电子。摩擦层之间电子亲和力差距越大，相应的电荷转移量越大。红色字体的材料通过添加导电材料使其具有导电性，常用于柔性TENG的电极材料。在注射器和收集器之间施加高电压(通常在几千伏特到几十万伏特之间)，形成高压电场。当注射器针尖处的电压达到一定阈值时，聚合物溶液在电场力的作用下克服表面张力，形成泰勒锥，泰勒锥顶端喷射出细流，溶液在电场力作用下迅速拉伸和干燥，形成纳米纤维。纳米纤维在电场力作用下被吸引到接地或带负电的收集板上，沉积成无纺布状的纤维结构。根据收集器的不同，纳米纤维薄膜的形态也会不同。

图4. 基于静电纺丝的TENG。

TENG利用两种不同材料之间的摩擦产生静电，从而将机械能高效地转化为电能。这一独特的能量转换机制不仅为解决能源短缺问题提供了新的思路，还为多种应用场景提供了创新的解决方案。从自供电传感器、可穿戴电子器件，到智能家居、环境能量收集，再到医疗植入设备和交通安全监测，TENG的应用领域几乎涵盖了现代科技的各个方面。基于TENG的可穿戴电子器件主要分为两种，一种是将TENG用为能量源，为可穿戴电子器件供能，另一种是TENG直接被用作传感器。然而，输出稳定性限制了TENG作为可穿戴电子器件能量源的发展，TENG在健康监测、运动追踪、环境感知等领域展现出巨大的应用潜力。TENG本质上具有自供电，自驱动的性能，结合静电纺丝薄膜的透气性，解决了皮肤的红肿和发炎问题，因此，基于静电纺丝TENG的人体可穿戴电子器件逐渐成为研究的热点。图5是FC-TENG在可穿戴领域的典型应用。

图5. FC-TENG在可穿戴领域的应用。

3. 总结与展望

图6. FC-TENG未来的发展推断

FC-TENG近些年已经取得了显著的进步，纳米材料改性的纤维材料已经被证明可显著提升摩擦层的比表面积，孔隙率，粗造度，β相的转变，介电常数，电子亲和力等，从而有效改善TENG的输出性能以及传感性能。不同种类的应用也展示了TENG强大的商业应用潜能，包括能量收集，自供电传感器，人体/植物可穿戴电子产品，电子皮肤，智能家居，无线通讯系统，人机交互界面以及医疗器械等。尽管在FC-TENG的材料制备与实际应用取得了显著的进步，但在这个领域许多科学与技术挑战仍然存在。图6是对FC-TENG未来的发展预测。尽管实现商业化面临诸多挑战，但在过去几年中，TENG在材料设计和新兴应用方面取得了重大进展。通过与其他先进学科和技术的密切合作，如体效应、摩擦伏特发电机等，可以进行巨大的创新，从而为TENG提供一种可持续的、通用的、具有成本效益的和可扩展的纤维制造技术。可以推断FC-TENG的迅猛发展将为无线人工智能物联网时代提供巨大的技术支持。