近日，中國科學(xué)院海洋研究所海洋材料腐蝕損傷機(jī)制與智能感知研究組在海洋波浪能腐蝕防護(hù)與監(jiān)測等研究方面取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊成功開發(fā)了拱形和柔性結(jié)構(gòu)的能量捕獲創(chuàng)新設(shè)計，提升了海洋波浪能的利用效率，并且在不依賴外部電源的情況下，有效實現(xiàn)了金屬的陰極保護(hù)，預(yù)計將為海洋環(huán)境腐蝕防護(hù)和監(jiān)測應(yīng)用開辟新途徑。研究成果分別發(fā)表在國際期刊《先進(jìn)材料》和《先進(jìn)功能材料》上。
據(jù)介紹，團(tuán)隊受拱橋結(jié)構(gòu)啟發(fā)，通過簡單的彎曲工藝，設(shè)計了一款拱形結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī)（Arch-TENG）。Arch-TENG結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，并且組裝陣列能更加高效地轉(zhuǎn)換隨機(jī)多頻波浪能，耐用性和應(yīng)用性表現(xiàn)實現(xiàn)有效提升，在電荷輸出方面相比同面積的接觸分離結(jié)構(gòu)提升超過450%，證明了為低功耗電子設(shè)備供電的可行性。經(jīng)過26小時的耐久性測試后，器件的電氣輸出性能依然保持良好穩(wěn)定性。通過篩選摩擦材料搭配，優(yōu)化支撐材料剛性，調(diào)整拱結(jié)構(gòu)高跨比等關(guān)鍵參數(shù)，驗證了其在真實海水中提供陰極保護(hù)的有效性。
拱形陣列結(jié)構(gòu)波浪能捕獲示意圖 課題組供圖
此外，利用充填水的柔性緩沖袋作為摩擦材料的支撐，團(tuán)隊設(shè)計了一種流體支撐的摩擦納米發(fā)電機(jī)（Wat-TENG）。Wat-TENG結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，可就地取材組裝，較同條件激勵下的剛性接觸結(jié)構(gòu)輸出性能提高200%。通過不同類型的對比驗證，從摩擦材料接觸的力學(xué)角度提出了界面漸進(jìn)鋪展效應(yīng)和流體靜壓效應(yīng)兩種機(jī)制，分析闡述了摩擦材料界面接觸效率提高與電輸出性能提升的機(jī)理。15萬次的重復(fù)測試驗證了其穩(wěn)定性，對碳鋼的陰極保護(hù)實驗與火焰報警器的供電實驗證明了其在工程中的適用潛力，為未來海上石油平臺的腐蝕預(yù)防和安全監(jiān)測提供了可行的解決方案。
柔性結(jié)構(gòu)波浪能捕獲的工作機(jī)制與應(yīng)用場景
中國科學(xué)院海洋研究所研究員王秀通為論文的通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃等項目的資助。
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