Детальная информация

На фоне растущего мирового спроса на энергию и обострения проблем экологической устойчивости, разработка новых технологий возобновляемой энергетики стала ключевым направлением научных исследований. Ограниченность ископаемых ресурсов, их негативное воздействие на окружающую среду, а также прерывистый характер и географическая зависимость таких возобновляемых источников, как солнечная и ветровая энергия, стимулируют поиск решений для децентрализованного сбора энергии. В этом контексте трибоэлектрические наногенераторы (ТЭНГ) представляются крайне перспективной технологией, способной эффективно аккумулировать случайную механическую энергию из окружающей среды (такую как движение человека, вибрации и энергия ветра) и преобразовывать ее в электричество. ТЭНГ обладают рядом существенных преимуществ: широкий выбор материалов, простая конструкция, низкая стоимость и высокая адаптивность к условиям окружающей среды, что открывает широкие возможности для их применения в областях носимой электроники, автономных сенсоров и интернета вещей. Наиболее перспективными материалами являются полимеры в основном благодаря низкой плотности и гибкости. При работе ТЭНГ контактирующие поверхности подвержены износу, в результате которого происходит деградация выходных характеристик. Эти проблемы серьезно ограничивают практическое внедрение ТЭНГ и их долгосрочную надежность. В последние годы научное сообщество активно работает над повышением эффективности ТЭНГ с помощью стратегий композиционных материалов. Исследования ведутся преимущественно в трех направлениях: во-первых, повышение плотности тока за счет введения наночастиц с высокой диэлектрической проницаемостью; во-вторых, увеличение эффективной площади контакта путем создания многоуровневых шероховатых поверхностей (например, за счет введения микро- и наноструктур); и в-третьих, создания специальных композитных структур для упрощения конструкции устройства и снижения энергетических потерь. Кроме того, полимерные композиционные материалы часто имеют более высокую износостойкость и атмосферостойкость. Таким образом, ТЭНГ является перспективной и востребованной современными реалиями технологией, однако производительность ТЭНГ ограничена способностью трибоэлектрических материалов генерировать заряд, их износостойкостью и стабильностью в различных условиях, что делает разработку новых высокоэффективных материалов ключом к преодолению существующих технологических барьеров. Для решения указанных проблем в данном исследовании предлагается дизайн новых композитных материалов на основе полимерных материалов с наноразмерными наполнителями. Настоящая работа направлена на создание трибоэлектрического материала для ТЭНГ с высокой выходной мощностью, длительным сроком службы и устойчивостью к внешним условиям. Целью работы является разработка и создание эффективного композитного материала для использования в трибогенераторах. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: 1. Обзор литературных данных и анализ существующих решений; 2. Создание стенда для трибоэлектрических испытаний; 3. Приготовление композитных материалов на основе полимерных матриц и углеродных наночастиц; 4. Испытания материалов и анализ свойств; 5. Поиск и апробация практических приложений для созданных материалов. Научная новизна работы: 1. Установлены основные параметры, влияющие на выходные характеристики и стабильность работы ТЭНГ. Установлены количественные зависимости влияния внешних параметров (давления и частоты) на выходные характеристики ТЭНГ, использующие в качестве донорного трибослоя полимерные композиционные пленки на основе ТПУ и ПДМС. 2. Определены диэлектрические характеристики композитных пленок на основе ТПУ с углеродными нанотрубками и стеклянными микрочастицами. Установлено, что введение УНТ в полимерную матрицу термопластичного полиуретана (ТПУ) позволяет контролируемо изменять её диэлектрические свойства. Оптимальная концентрация (0,75 масс.%) способствует значительному увеличению диэлектрической проницаемости композитной плёнки, что прямо коррелирует с ростом выходной мощности наногенератора. 3. Установлено, что выходная мощность ТЭНГ зависит не только от величины диэлектрической проницаемости трибослоя, но и от величины диэлектрических потерь. Увеличение концентрации УНТ в ТПУ выше 0,75 масс.% ведет наряду с увеличением диэлектрической проницаемости к росту диэлектрических потерь, что приводит к снижению выходных характеристик ТЭНГ. Достоверность и обоснованность научных результатов работы обеспечены использованием апробированных экспериментальных методик, с использованием поверенной измерительной техники. Все результаты и выводы не противоречат современным научным представлениям, опубликованы в печатных рецензируемых изданиях. Основные результаты работы были представлены и обсуждались на следующих конференциях: Третий российско-китайский научно-технический форум, Харбин, Китай, 22–26 октября 2024 года. Восьмой международный семинар по электромагнитным свойствам новых материалов, Москва, Россия, 26–30 августа 2024 года. Практическая значимость работы: 1. Разработан композиционный материал на основе термопластичного полиуретана с добавлением углеродных наноструктур, демонстрирующий высокие выходные электрические характеристики и долговечность работы ТЭНГ. 2. Определены зависимости выходных характеристик ТЭНГ от концентрации углеродных нанонаполнителей в полимерных пленках на основе ТПУ и ПДМС. Установлено что концентрация 1.5 масс.% фуллереновой сажи, 0,5 масс.% графена и 0,75 масс.% УНТ приводят к максимальным выходным характеристикам ТЭНГ. 3. Разработаны практические схемы применения ТЭНГ. Показано, что ТЭНГ на основе разработанных композитных материалов способен работать как источник питания для малых электронных устройств, а также служить датчиком для отслеживания движений человека. Продемонстрирована возможность применения данного наногенератора в качестве автономного беспроводного датчика для мониторинга двигательной активности человека. Положения, выносимые на защиту: Композитные материалы, полученные путем введения углеродных наноматериалов в гибкую полимерную матрицу ТПУ, эффективно повышают выходные характеристики ТЭНГ. 1. Диэлектрические свойства (диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери) композитных пленок на основе ТПУ с добавлением УНТ и неорганических наполнителей в зависимости от концентрации. 2. Зависимости выходных характеристик ТЭНГ от концентрации неорганических и углеродных наполнителей в трибослое ТЭНГ. 3. Зависимости выходных характеристик ТЭНГ с композитными пленками от внешних параметров. 4. Практические модели использования ТЭНГ на разработанных композитных материалах. Установлено, что разработанный трибоэлектрический наногенератор на основе композитной плёнки способен к эффективному преобразованию механической энергии в электрическую, достаточному для питания маломощных электронных устройств, а также для работы в качестве автономного беспроводного датчика мониторинга двигательной активности человека. Публикации： Самостоятельно по теме диссертации опубликовано 4 работы в журналах, входящих в международную базу цитирования «Scopus». Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы, содержит 142 машинописный лист, включая 48 рисунков, 4 таблицу, 67 наименований библиографических ссылок.

Against a backdrop of growing global energy demand and increasing environmental sustainability concerns, the development of new renewable energy technologies has become a key area of ​​research. The limited availability of fossil resources, their negative environmental impact, and the intermittent nature and geographic dependence of renewable sources such as solar and wind energy are driving the search for solutions for decentralized energy harvesting. In this context, triboelectric nanogenerators (TENGs) represent a highly promising technology capable of efficiently accumulating random mechanical energy from the environment (such as human movement, vibrations, and wind energy) and converting it into electricity. TENGs offer a number of significant advantages: a wide selection of materials, simple design, low cost, and high adaptability to environmental conditions, opening up broad possibilities for their application in wearable electronics, autonomous sensors, and the Internet of Things. Polymers are the most promising materials, primarily due to their low density and flexibility. During TENG operation, the contacting surfaces are subject to wear, resulting in degradation of the output characteristics. These issues seriously limit the practical implementation of TENGs and their long-term reliability. In recent years, the scientific community has been actively working to improve the efficiency of TENGs using composite material strategies. Research is primarily focused on three areas: first, increasing current density by introducing nanoparticles with high permittivity; second, increasing the effective contact area by creating multi-level rough surfaces (e.g., by introducing micro- and nanostructures); and third, creating specialized composite structures to simplify device design and reduce energy loss. Furthermore, polymer composite materials often exhibit superior wear resistance and weather resistance. Thus, TENGs are a promising and in-demand technology in today's marketplace. However, their performance is limited by the charge-generating capacity of triboelectric materials, their wear resistance, and their stability under various conditions. This makes the development of new, highly efficient materials key to overcoming existing technological barriers. To address these issues, this study proposes the design of new composite materials based on polymers with nanoscale fillers. This work aims to create a triboelectric material for TENGs with high output power, a long service life, and resistance to external conditions. The goal of this work is to develop and create an effective composite material for use in tribogenerators. To achieve this goal, the following tasks were completed: 1. Literature review and analysis of existing solutions; 2. Creation of a triboelectric test rig; 3. Preparation of composite materials based on polymer matrices and carbon nanoparticles; 4. Material testing and property analysis; 5. Search for and validation of practical applications for the developed materials. Scientific novelty: 1. The key parameters influencing the output characteristics and operational stability of TENGs were identified. Quantitative dependences of the influence of external parameters (pressure and frequency) on the output characteristics of a TENG using polymer composite films based on TPU and PDMS as the donor tribolayer were established. 2. The dielectric characteristics of composite films based on TPU with carbon nanotubes and glass microparticles were determined. It was found that the introduction of CNTs into the polymer matrix of thermoplastic polyurethane (TPU) enables controlled modification of its dielectric properties. The optimal concentration (0.75 wt%) contributes to a significant increase in the permittivity of the composite film, which directly correlates with an increase in the output power of the nanogenerator. 3. It was found that the output power of the TENG depends not only on the permittivity of the tribolayer but also on the magnitude of dielectric losses. Increasing the CNT concentration in TPU above 0.75 wt% leads, along with an increase in permittivity, to an increase in dielectric losses, which leads to a decrease in the output characteristics of the TENG. The reliability and validity of the scientific results of the work are ensured by the use of proven experimental methods and calibrated measuring equipment. All results and conclusions are consistent with modern scientific understanding and have been published in peer-reviewed journals. The main results of the work were presented and discussed at the following conferences: the Third Russian-Chinese Scientific and Technical Forum, Harbin, China, October 22–26, 2024. The Eighth International Seminar on Electromagnetic Properties of New Materials.