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我中心张立群教授团队联合纳米能源所与玲珑轮胎公司利用摩擦纳米发电机研发发电智能轮胎

发布日期:2018-11-26

引言

轮胎作为当今汽车工业的重要组成部分,无论在安全还是节能方面,对车辆都有着至关重要的作用。在能源日益枯竭,全球变暖的前提下,节能减排变得尤为重要,轮胎滚动阻力降低10 %,可以减少整车2 %的油耗,和内燃机效率的提高速度以及可提高空间相比,这已经是一个极其可观的数值了。在轮胎工业中,有一个困扰轮胎工业很久的问题就是轮胎的魔三角问题,由于橡胶材料的固有属性,使得轮胎在耐磨性,抗湿滑和滚动阻力三者之间很难兼顾。白炭黑材料作为新一代的橡胶纳米补强填料,相比炭黑材料在提高抗湿滑和降低滚阻方面都有一定的优势。这使得白炭黑轮胎在具有优秀节油性能的同时还可以兼顾其他的性能。但是由于其具有较大的静电,因此使用中总是受到这一缺点的限制。而摩擦发电机正是一种可以将该种缺点转化为优点,用静电来发电的新技术,因为将白炭黑轮胎和摩擦纳米发电机结合,不仅可以得到滚阻更低的轮胎,还可以回收部分能量,进一步提高整车热效率。

成果简介

近日,我中心张立群教授团队,中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林教授团队与山东玲珑轮胎股份有限公司合作,利用摩擦纳米发电机,回收轮胎和地面摩擦产生的能量:白炭黑轮胎具有较大的静电,这一缺点在一定程度上限制了白炭黑轮胎的应用,然而摩擦纳米发电机却可以将这一负面效应转化为正面效应,利用这一特性,达到回收能量的目的,同时通过检测产生的电流,还可以得到轮胎的胎压信息。9 cm2该种轮胎胎面材料可以得到21 μA的电流输出和150 V的电压。如果按照目前报道的较高数值500 Wm2 估算,每辆车每年可以节约800 kJ能量,如果全世界所有车辆换装该发电轮胎,相当于可以节约2.5×108 kg汽油。研究发现不同胎压下电荷的转化量和胎压具有较好的线性关系,可以作为自驱动的胎压传感器。这一研究在未来的智能轮胎和绿色轮胎有着巨大的潜在应用。相关研究成果以“Triboelectric Nanogenerator Boosts Smart Green Tires”发表于在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》,文章的第一作者是我中心武文杰博士研究生,共同一作是中国科学院纳米能源与系统研究所曹霞教授

研究亮点

1、第一次将摩擦纳米发电机和白炭黑轮胎相结合,制备出了一体式的摩擦纳米发电轮胎;

2、利用摩擦纳米发电机的自传感特性,将发电和自驱动传感相结合,得到了具有自驱动胎压检测的智能轮胎;

3、一定程度上解决了白炭黑的静电问题,为静电问题的解决提供了新思路;

4、所设计的轮胎结构可以在现有的制造设备上生产,不需要对现有设备升级。

图文导读

1 摩擦纳米发电机工作原理:(a)双电极摩擦纳米发电机工作原理;(b)单电极摩擦纳米发电机工作原理;(c)摩擦纳米发电机电荷电流示意图。

摩擦纳米发电机的工作模式可以简单的分为单电极和双电极模式,其中单电极模式会将一端接地,以得到电势差,(c)中为摩擦纳米发电机的原理,当右边的金属摩擦层离橡胶材料较远时,橡胶表面的负电荷在静电感应的作用下,使得其左边的导电层带上正电荷。右边铜板的接近,部分正电荷通过外电路从左边的导电层流向右边的摩擦层。当橡胶和右边铜质的摩擦层相互接触时,正电荷全部流向右边摩擦层,当摩擦层和橡胶再次分离时,部分正电荷重新流回到左边的导电层,在这个过程中,电流的方向发生了变化,因此得到的是交流电在这个过程中。机械作用力由于带动摩擦层接触分离进而带动电荷接触分离,使得电荷的电势发生了变化,完成了机械能向电能的转化,这就是接触分离式摩擦发电机的基本原理。

2 不同材料性能研究:(a)单双模式电极断路电压对比;(b)单双模式电极短路电流对比;(c)不同填充量断路电压对比;(d)不同填充量短路电流对比;(e)相同填充份数白炭黑和炭黑硫化胶DMA曲线;(f)相同填充份数白炭黑和炭黑硫化胶压缩生热温升曲线。

图中(a)(b)可以看出,双电极具有更强的输出性能,然后由于单电极具有连接方便使用自由的优点,研究中依旧采用了单电极方案。(c)(d)中可以看出30 phr的复合材料具有最佳的发电性能。(e)(f)中可以看出白炭黑具有更低的滚动阻力(一般使用60度的损耗角正切表征)和生热。因此后面的研究中都使用30 phr的白炭黑天然橡胶复合材料研究。

 

3 小型摩擦发电测试轮以及测试结果:(a)小型摩擦发电测试轮结构;(b)小型摩擦发电测试装置;(c)发电量与转速关系;(d)发电量与载荷关系;(e)摩擦发电轮点亮LED;(f)摩擦发电轮点亮LED,关灯对比

为了验证摩擦纳米发电轮胎的可行性,在实验室制作了一个较小的测试轮,在实验室的滚动阻力仪上验证了轮状摩擦纳米发电机的可行性,为其在轮胎中的应用做了初步尝试。(c)(d)为该摩擦纳米发电机的输出性能和转速以及负载的关系,可以看出和转速具有较好的线性关系,而负载对其输出影响不大。

4 贴合型摩擦发电轮胎:(a)贴合型摩擦发电轮胎结构;(b)贴合型摩擦发电轮胎垂直运动发电效果;(c)贴合型摩擦发电轮胎滚动发电效果;(d)贴合型发电轮胎自由落体运动发电电流;(e)贴合型发电轮胎自由落体运动发电电压。

为了进一步验证轮胎中摩擦纳米发电机的可行性,将摩擦纳米发电机粘在轮胎表面进行测试,测试结果显示,不管是垂直跳动还是滚动,均具有较好的输出性能。

5 一体式发电轮胎制造过程:(a)胎面制造;(b)三明治结构胎面;(c)轮胎成型;(d)未硫化轮胎;(e)轮胎脱模;(f)一体式摩擦发电轮胎。

 

一体式摩擦纳米发电轮胎的生产制造过程,(a)(b)在北京化工大学实验室完成,其余均使用山东玲珑轮胎股份有限公司,招远工厂实际生产设备制造完成。

6 发电轮胎结构及测试:(a)发电轮胎结构;(b)发电轮胎导电层以及发电轮胎实物;(c)发电轮胎测试过程;(d)发电轮胎测试过程LED特写

 

发电轮胎结构中胎面为三明治结构,导电层内置于其中,其余结构和普通轮胎相同,硫化后在X光下可以清晰看到导电层未被破坏。在使用滚动阻力测试仪模拟发电工况时效果良好,(d)中可以清楚看到三组LED灯被点亮后留下的光轨。

7 发电轮胎自驱动传感性能:(a)发电轮胎自驱动胎压测试示意图;(b)发电轮胎自驱动胎压测试电流线号;(c)发电轮胎电流信号和胎压关系;(d)发电轮胎转化电荷量和胎压关系。

不同胎压下轮胎从10cm高度处做自由落体,得到电流信号,通过对电流信号的分析,可以发现电流大小和胎压具有一定的正相关性,而转化电荷量和胎压显示出较好的线性,可以作为自驱动胎压监测设备使用。

综上所述,研究者通过将轮胎和摩擦纳米发电机相结合,得到了具有发电特性的轮胎,并展示了其作为自驱动胎压传感器的应用。所制备的发电轮胎可以在不同的运动模式下发电,并具有自驱动传感性能,可以通过检测电流信号得到轮胎胎压,速度等信息,为未来绿色轮胎的发展和应用提供了巨大的潜力。

存在问题与下一步计划

作为轮胎来讲,由于在轮胎中加入了铜作为导电层,因此轮胎的寿面和耐久性必然会受到一定的影响,第一代的摩擦纳米发电轮胎更多的是为了探究其可行性。而对于轮胎的一些其他性能兼顾较少。而作为摩擦纳米发电机来讲,由于需要配合现有的生产工艺,摩擦纳米发电机的结构使用的是最为基础简单的结构,因此发电性能和和传感性能还不够十分突出。所以我们后续的主要工作将集中在以下是四个方面展开:

1、优化可靠性和耐久度

轮胎作为一个涉及安全的产品,可靠性和耐久度是非常重要的性能指标,在接下来的工作中,我们会通过使用新材料和优化摩擦纳米发电机的结构来制造尽可能满足现有要求的摩擦纳米发电轮胎。

2、提高发电量

摩擦纳米发电轮胎回收的主要能量是轮胎和路面之间的摩擦损耗掉的能量,由于橡胶材料这部分能量还是很大的,目前第一代发电轮胎回收的能量还比较小,因此在发电量上还有这较大的优化空间。未来对于发电量的提高,也是我们的主要目标之一。

3、增强传感精度和范围

由于第一代的摩擦纳米发电轮胎在设计之初,仅考虑了发电性能,而对于传感的性能并未兼顾较多,因此,第一代的发电轮胎仅可以作为胎压监测的传感器,而且精度也并不高,未来对轮胎智能传感的精度优化和范围扩大(如作为胎温传感器等)都会是我们工作的一部分。

4、相关配套设备的研发

目前轮胎中得到的能量并没有找到合适的使用场景,接下来我们会通过考量发电量和轮胎的工作状态,设计出相应的设备,使得轮胎中回收得到的这部分能量能够被合理而高效的利用起来。

论文链接:https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201806331.