《Materials Today Energy》：Ultra-lightweight Aerogel-Fibrous Material with High Thermal Stability and Boosted Triboelectricity for Crack Detection in Harsh Environments
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本研究设计了一种基于多孔气凝胶的自供电裂纹检测摩擦纳米发电机（CD-TENG），通过优化PI/P(VDF-TrFE)气凝胶与PVDF纤维层的结构，显著提升了其在高温高湿环境下的热稳定性和防水性，实现了水滴冲击下的实时裂纹检测与AC信号生成，峰值功率密度达33 mW/m2，为极端环境下的结构健康监测提供了轻量化解决方案。
Mohammad M. Rastegardoost | Omid Aghababaei Tafreshi | Shahriar Ghaffari-Mosanenzadeh | Chun B. Park | Hani E. Naguib
多伦多大学机械与工业工程系，加拿大安大略省多伦多市国王学院路5号，M5S 3G8
摘要
在恶劣环境中进行有效的结构健康监测（SHM）需要能够在潮湿、高温和机械应力条件下可靠运行的传感平台。本文介绍了一种用于在极端热湿条件下自主检测裂纹的摩擦电纳米发电机（CD-TENG）。该设备采用由聚酰亚胺（PI）和聚偏二氟乙烯-三氟乙烯（P(VDF-TrFE）组成的纳米结构气凝胶，具有较高的热稳定性和增强的电荷捕获能力，并结合了纤维状聚偏二氟乙烯（PVDF）顶层以提高疏水性和摩擦电性能。PVDF层的接触角为127°（水滴接触时）和86°（水滴离开时），从而实现高效的液滴运动和液-固接触电离。当水滴经过倾斜的TENG表面并与裂纹位置相互作用时，会产生交流（AC）信号，从而检测到表面裂纹。一个从30厘米高度落下到70°倾斜表面的水滴产生了7.9伏特和0.79微安的电压输出。在优化条件下（水滴高度15厘米、基底倾斜角度50°、负载电阻20兆欧姆），CD-TENG达到了33毫瓦·平方米（mW·m-2）的峰值功率密度。这些结果证明了CD-TENG作为轻量化、自供电传感器在恶劣环境中实时检测裂纹的潜力。
引言
电子通信技术的最新进展促进了面向个体的多功能传感器网络的发展，这些网络对于结构健康监测（SHM）至关重要[1]、[2]。SHM平台通过利用材料对物理现象的敏感性来检测结构裂纹，包括超声波[3]、振动[4]、声发射[5]、相对运动[6]和结构应变[7]。传统上，这些检测采用离线和手动方法进行，需要人员进入特定位置——这严重限制了损伤检测的范围、速度和响应性[8]、[9]、[10]。在这种情况下，压电材料因其固有的应变敏感性而被广泛用于在线SHM系统，特别是在飞机的结构部件中，如机翼、发动机和机身[11]、[12]、[13]。研究表明，将压电纳米发电机（PENGs）集成到飞机中可以在20赫兹的振动频率下产生1毫瓦的功率[14]。然而，尽管PENGs具有高敏感性，但它们依赖于连续或高频振动，而这在现实环境中并不总是存在的。此外，它们的性能受到材料选择的限制，通常需要晶体相，这限制了设计灵活性。这些限制阻碍了PENGs在机械能量不足环境中的广泛应用。
作为一种有前景的替代方案，摩擦电纳米发电机（TENGs）因其更广泛的材料选择和多样的激活模式（包括接触-分离、滑动和单电极配置[15]）而出现。这些特性使得TENGs特别适合在恶劣或动态条件下进行在线SHM，例如在雨水浸泡或高温环境中，传统传感器的性能会下降。材料工程可以定制TENGs以应对这些挑战[16]、[17]。例如，具有优异热稳定性、化学抗性和阻燃性的聚酰亚胺（PI）化合物有望实现优异的绝缘性能。PI基质中的芳香单元之间的强分子间作用力使其在连续暴露于232°C的温度下仍能保持这些性能，在短暂暴露于704°C的温度下也能保持[18]、[19]。此外，像聚偏二氟乙烯（PVDF）及其与三氟乙烯的共聚物P(VDF-TrFE)这样的氟化聚合物具有许多偶极子和低表面能，可以潜在地提高TENG的介电常数、摩擦电性能和疏水性[20]。这些材料已被用于设计防冰、防雾和防粘附的TENG表面。值得注意的是，将多氟乙烯（PTFE）集成到TENGs中使得开发出超轻量级的轴承成为可能，用于飞轮的健康监测，其中组件之间的相对运动会在独立的TENG模式下产生交流信号，作为诊断指标[21]。
除了材料选择外，TENGs的内部形态对其性能也起着关键作用。特别是，多孔TENGs因几个关键优势而受到越来越多的关注。首先，气凝胶、水凝胶、纤维垫和泡沫的高孔隙率显著降低了设备质量，这对于航空航天和移动系统来说是一个关键因素。例如，我们开发了一种由介电气凝胶制成的声音驱动TENG，其密度低至0.25克·立方厘米（g·cm-3，仅需40分贝（dB）的声压水平即可激活[22]。其次，多孔结构中的空气填充孔隙降低了热导率，保护了功能层免受热量影响。这使得TENG能够在车辆或飞机外部等热动态条件下保持性能。受益于多孔材料的高热绝缘性，Hu等人开发了一种气凝胶TENG，可用于振动和温度传感器，能够在接近1300°C的温度下至少持续工作10分钟[23]。第三，多孔结构引入了微观和纳米级的电荷捕获位点，增强了表面电荷保持能力并提高了摩擦电输出。它们的高表面积与体积比进一步促进了与对立介电层的接触。通过调节孔结构，已经证明在可变机械载荷下电流密度和表面电位可以翻倍，从而提供更稳定的信号生成[24]。
在这里，设计了一种由具有高热稳定性和疏水性的多孔材料组成的多层结构，作为用于外部表面的裂纹检测摩擦电纳米发电机（CD-TENG）基底，以在极端工作条件下识别裂纹（图1a）。该设备由纳米结构的PI/P(VDF-TrFE)气凝胶组成，提供热韧性和电荷调节能力，并结合了纤维状PVDF顶层以提高疏水性和电气性能。对含有氟聚合物（即PVDF和P(VDF-TrFE)）和PI的不同组合进行了系统研究，以优化气凝胶复合材料的性能。结果表明，在PI基质中加入6.0重量百分比的P(VDF-TrFE)限制了电荷从表面的迁移，从而在高温下提高了摩擦电性能。将纤维状PVDF集成到气凝胶复合材料中使界面变得疏水，并由于偶极子密度高而增加了摩擦电输出。为了模拟实际工作条件，使用从不同高度落下和不同基底倾斜角度的水滴评估了设备性能。一个从30厘米高度落下到70°倾斜表面的水滴产生了7.9伏特和0.79微安的电压输出。当水滴穿过表面裂纹时，与CD-TENG的相互作用产生了交流（AC）信号，实现了裂纹定位。在优化条件下——水滴高度15厘米、基底倾斜角度50°、负载电阻20兆欧姆——获得了33毫瓦·平方米（mW·m-2的峰值功率密度。这些结果表明，所提出的CD-TENG提供了一种自供电且轻量化的方法，适用于结构健康监测相关的高要求环境条件下的实时裂纹检测。
部分摘录
材料合成
纤维状PVDF：PVDF颗粒（Kynar 740，由Arkema提供），比重为1.78克·立方厘米（g·cm-3），溶解在3:2的N,N-二甲基甲酰胺（DMF，ACS试剂，>99.8%）和丙酮溶液中，浓度为20重量百分比。在60°C下搅拌溶液24小时后，得到了能够携带电荷的足够粘稠的溶液。将制备好的溶液放入安装在电动泵上的注射器中，通过毛细管以1毫升/小时的速率泵送到18G针头中。
结果与讨论
摩擦电材料实际应用的主要障碍之一是它们的耐用性有限。为了实现TENGs的长期耐用性，必须能够长时间保留积累的表面电荷。因此，摩擦电材料通常根据其储存电荷和抑制电荷耗散的能力进行评估[25]。化学和结构异质性众所周知可以作为电荷捕获位点，通过创建局部能量状态来发挥作用
裂纹检测TENG
合成材料以各种配置排列，进行了全面的评估，包括形态学、机械、热学、电学和摩擦电特性测试。值得注意的是，基于PI的气凝胶复合材料展示了优异的机械强度和热绝缘性能。相比之下，氟聚合物材料在摩擦电、介电和疏水性方面表现出色（图5a）。这突显了所开发的多层设计的潜力
结论
在这项研究中，我们开发了一种分层多孔结构，由疏水性纤维状PVDF和基于PI的气凝胶纳米纤维网络组成，分别在TENG中作为电荷生成层和电荷捕获层。对氟聚合物和基于PI的气凝胶的形态学、机械、电学和摩擦电性能进行了全面研究。将氟聚合物基质引入PI基质改变了分子间相互作用
CRediT作者贡献声明
Mohammad M. Rastegardoost：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、正式分析、数据管理、概念化。Omid Aghababaei Tafreshi：撰写——审阅与编辑、方法论、正式分析、概念化。Shahriar Ghaffari-Mosanenzadeh：撰写——审阅与编辑、方法论、正式分析。Chul B. Park：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法论、资金获取、概念化。Hani E. Naguib：
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
作者衷心感谢加拿大自然科学与工程研究委员会（NSERC）提供的财务支持。
