应用：

  近来，上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室郭益平课题组在高功能压电-冲突电混合式机械能搜集器材研讨中获得重要发展，该器材可成功驱动智能手环，并完成心率监测和无线阵列则能轻松完成为超级电容器与锂电池充电，该项作业为规划开发新式混合式能量搜集器材供给了新的思路，可满意智能路途、可穿戴电子主动供电及波涛能搜集的使用要求。研讨效果以“Design of high-performance triboelectric-piezoelectric hybridized mechanical energy harvester inspired by three-phase asynchronous generator”为题宣布在高水平期刊Nano Energy上。

  纳米发电机根据压电或冲突电等效应来搜集自然环境中丰厚的机械能。可是，现阶段纳米发电机的能量使用功率与输出功能仍较低，严峻限制其使用场景。混合式纳米发电机使用多种能量转化原理不光能够处理器材能量功率低的问题，并且可用于开发小型化、集成化的能量搜集器材。可是，高效集成混合纳米发电机开发难点在于能量搜集单元的集成架构，鼓励载荷的有用传递和散布，匹配的功率电路和能量使用方案。受三相异步发电机超卓的空间使用率与可靠性启示，该研讨开发了一种高功能压电-冲突电混合式机械能搜集器材（HMEH），高效集成了冲突电组件与压电组件，器材结构严密相连、体积细巧（6.1 × 3.1 × 0.3 cm3），并设有三个输出端口与三相全波整流电路匹配。该器材可在低频鼓励（50 N，0.5 Hz）下，输出开路电压810 V和短路电流0.65 mA，当鼓励频率增至4.0Hz时，短路电流可达1.1 mA。HMEH器材耐受40000次触摸别离鼓励循环测验无器材失效，表现出优异的耐用性和可靠性。器材的上限功率密度到达1.02 mW·cm-2，超过了大多数同类型器材。经过构建2 × 2的HMEH阵列，短路电流可逐渐提升至~4 mA。

  图1 HMEH结构规划与输出功能(a) 三相发电机及其供电系统示意图。(b) 混合式机械能搜集器示意图。(c) HMEH设备与三相全波整流器实物图。(d, e) HMEH低频输出功能。(f, g) HMEH与同类型触摸别离式混合纳米发电机的功能比照。

  图2 HMEH适配功率电路(a) HMEH结构示意图。(b) HMEH三个输出端口的对地电势。(c) HMEH的N1与N2端口输出功能。(d) HMEH的N1与N3端口输出功能。(e) HMEH的N2与N3端口输出功能。(f) 选用三相半波整流电路与全波整流电路的输出功能比照。

  图3 HMEH作业机理与器材耐用性(a) HMEH作业机理示意图。(b) HMEH的应力散布与电势散布模仿效果。(c) HMEH经40000次触摸别离循环测验效果。

  图4 HMEH功率特性(a) 冲突电组件的峰值输出功率。(b) 压电组件的峰值输出功率。(c, d) HMEH别离在0.5 Hz与4.0 Hz鼓励下的峰值功率与平均功率。(e, f) HMEH驱动电子手表的电压-时刻曲线。(g, h) HMEH别离驱动计算器与便携式收音机的电压-时刻曲线。(i) HMEH无需储能电容驱动电子手表的电压-时刻曲线 根据HMEH阵列的能量使用方案(a) HMEH阵列示意图。(b) 阵列器材的短路输出电流。(c) HMEH阵列为10 mF电容器充电时的电压-时刻曲线。(d, e) HMEH驱动智能手环的电压-时刻曲线，智能手环结构示意图与心率监测效果。(f, g) HMEH阵列为超级电容器充电的电压-时刻曲线，并进一步贮存至充电宝中。(h) HMEH阵列为锂电池充电的电压-时刻曲线 HMEH使用拓宽(a) 结合HMEH的智能路途获取过往车辆机械能示意图。(b) 结合HMEH的可穿戴电子搜集生物机械能示意图。(c) 结合HMEH的智能海洋防护设备，搜集海洋潮汐引起的机械能示意图。

  材料科学与工程学院博士生郑智鹏为论文榜首作者，郭益平教授与陈玉洁副教授为一起通讯作者。该效果得到了上海市科委基础研讨专项（20JC1415000）、上海交通大学“深蓝方案”重点项目（SL2022ZD103）和国家重点研制专项（SQ2022YFA1200129）的赞助。