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多壁碳纳米管在自控制的热机电系统开发低品位热中实现应用
2018/9/13 9:35:07

期刊:Nature Communications ,2018年8月出版

影响因子: 12.353 

原文标题:

In-built thermo-mechanical cooperative feedback mechanism for self-propelled multimodal locomotion and electricity generation

原文链接:  

https://www.nature.com/articles/s41467-018-05754-9#search-menu


利用无处不在的低品位废热是实现软物质驱动和能量回收的可能途径。虽然大多数软材料并非完全依靠某种能量输入来实现连续响应,Ghim Wei Ho课题组将自锁式热机械反馈概念化为自主运动和能量生成功能。通常被认为“无用”的低品味热量被用来为软热机电系统提供燃料,以执行永久的和不受限制的多模态运动。内在的弹性运动同步自我控制和自动持续的温度波动和机械机动性,无需外部刺激变化,能够在热/压电机械交叉点同时收集热机械能。非束缚性的软材料展示了确定性的运动(平移振荡,方向滚动,顺时针/逆时针旋转),不需要进行能量输入相反从环境中获取能量就可以实现快速的转变和动态响应。这项研究对热-机-电转换、多步态软能源机器人技术和废热收集技术具有应用前景。

在这项工作中,Ghim Wei Ho课题组设计了一个自控制的热-机-电系统(TMES)并结合热-机械转换行为为多种自适应机械驱动开发低品位的环境热。结构设计和系统理念(如图1a所示)。基于双晶型原理,热-机械形变首先作用于热表面,这需要具有相反的热膨胀系数(CTE)的双层结构。为了实现永久运动和热机械能的收集,材料的选择和微观结构设计是必不可少的元素,赋予了机械健壮性和功能延展性。TMES主要由三维排列的铁电聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚多巴胺修饰的还原氧化石墨烯-碳纳米管层(PDG-CNT)组成。制作了一种100平方厘米TMES薄膜(如图1b所示),可以根据切割方向,轻松获得不同角度的TMES贴片。PDG-CNT拥有像贝壳一样的实体微观结构(如图1 c所示),PDG和CNT之间的π-π键和强的附着力使得 PDG-CNT水性油墨被逐层沉积在亲水性处理的PVDF表面,不会分层,因此确保TMES机械健壮性来承担各种大的变形。

 

TMES的结构设计和系统理念

        Ghim Wei Ho课题组研究结果表明,TMES的使用为智能软材料系统开辟了一条很有前途的道路,该系统基于结构不稳定性的自我调节热机反馈,能够在各种稳定态之间轻易地传递。TMES能够自动从低品位热环境中提取能量,并将其转换为多种运动和能量生成的功能。这种软材料系统已经证明可以有效地与低品位的环境热相结合,并适应非结构化的环境。Ghim Wei Ho课题组描述的自锁热-机械反馈机制可能为自主多步态软能量机器人技术和具有多用途热-机械-电转换的余热收集技术提供新的可能性。

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