新型异质石墨烯折纸辅助负泊松比超梁：用于高性能可调谐能量收集

《ARABIAN JOURNAL FOR SCIENCE AND ENGINEERING》：Novel Heterogeneous Graphene Origami-Enabled Auxetic Metabeams for High Performance Tunable Energy Harvesting

压电能量收集器采用功能梯度石墨烯折纸辅助超材料（FG-GOEAM）基体，结合TSDT理论和Rayleigh阻尼模型，推导出谐振力下的稳态响应公式，实验表明其输出功率较传统铜基结构提升14%。

　　

摘要

利用自然界中的振动介质进行压电能量收集，为传感器网络和电子设备的供电具有巨大潜力。大多数已发表的标准压电能量收集器都是使用单层金属或复合材料作为基底，并在其上固定压电材料。本研究介绍了一种桥式压电能量收集器的开发，该收集器采用创新的超材料作为热环境中的基底。基底结构由功能渐变的石墨烯折纸辅助超材料（FG-GOEAM）构成，该材料夹在两层压电材料之间。通过分层调节石墨烯含量和石墨烯折纸的折叠程度（GOri），可以控制梁的辅助特性，从而为调节共振频率提供了显著的设计灵活性。基于哈密顿原理和高斯定律，并结合三阶剪切变形（TSDT）梁理论，建立了能量收集模型。同时利用瑞利阻尼假设来模拟收集系统的结构阻尼。通过对机电控制方程进行解析处理，得出了电压输出与收集器振动响应之间的稳态响应表达式（这些表达式将输入的谐波力与收集器的输出电压和振动响应相关联）。本研究主要探讨了FG-GOEAM基底特性对总输出响应的影响。对比研究表明，在相同的运行条件下，FG-GOEAM能量收集器的输出功率比传统的铜基模型高出约14%。本文为基于复合结构的先进能量收集器的发展和应用奠定了基础，并为未来在其他工程应用中研究基于石墨烯的复合结构开辟了新的途径。