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北化大、納米能源所與玲瓏輪胎公司利用摩擦納米發(fā)電機(jī)合作研發(fā)發(fā)電智能輪胎
2018-11-24  來源:中國(guó)聚合物網(wǎng)

  輪胎作為當(dāng)今汽車工業(yè)的重要組成部分,無論在安全還是節(jié)能方面,對(duì)車輛都有著至關(guān)重要的作用。在能源日益枯竭,全球變暖的前提下,節(jié)能減排變得尤為重要,輪胎滾動(dòng)阻力降低10%,可以減少整車2%的油耗,和內(nèi)燃機(jī)效率的提高速度以及可提高空間相比,這已經(jīng)是一個(gè)極其可觀的數(shù)值了。在輪胎工業(yè)中,有一個(gè)困擾輪胎工業(yè)很久的問題就是輪胎的魔三角問題,由于橡膠材料的固有屬性,使得輪胎在耐磨性,抗?jié)窕蜐L動(dòng)阻力三者之間很難兼顧。白炭黑材料作為新一代的橡膠納米補(bǔ)強(qiáng)填料,相比炭黑材料在提高抗?jié)窕徒档蜐L阻方面都有一定的優(yōu)勢(shì)。這使得白炭黑輪胎在具有優(yōu)秀節(jié)油性能的同時(shí)還可以兼顧其他的性能。但是由于其具有較大的靜電,因此使用中總是受到這一缺點(diǎn)的限制。而摩擦發(fā)電機(jī)正是一種可以將該種缺點(diǎn)轉(zhuǎn)化為優(yōu)點(diǎn),用靜電來發(fā)電的新技術(shù),因?yàn)閷滋亢谳喬ズ湍Σ良{米發(fā)電機(jī)結(jié)合,不僅可以得到滾阻更低的輪胎,還可以回收部分能量,進(jìn)一步提高整車熱效率。

  近日,北京化工大學(xué)張立群教授團(tuán)隊(duì),中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士團(tuán)隊(duì)與山東玲瓏輪胎股份有限公司合作,利用摩擦納米發(fā)電機(jī),回收輪胎和地面摩擦產(chǎn)生的能量:白炭黑輪胎具有較大的靜電,這一缺點(diǎn)在一定程度上限制了白炭黑輪胎的應(yīng)用,然而摩擦納米發(fā)電機(jī)卻可以將這一負(fù)面效應(yīng)轉(zhuǎn)化為正面效應(yīng),利用這一特性,達(dá)到回收能量的目的,同時(shí)通過檢測(cè)產(chǎn)生的電流,還可以得到輪胎的胎壓信息。9cm2該種輪胎胎面材料可以得到21μA的電流輸出和150V的電壓。如果按照目前報(bào)道的較高數(shù)值500W/㎡估算,每輛車每年可以節(jié)約800kJ能量,如果全世界所有車輛換裝該發(fā)電輪胎,相當(dāng)于可以節(jié)約2.5*10^8 kg汽油。研究發(fā)現(xiàn)不同胎壓下電荷的轉(zhuǎn)化量和胎壓具有較好的線性關(guān)系,可以作為自驅(qū)動(dòng)的胎壓傳感器。這一研究在未來的智能輪胎和綠色輪胎有著巨大的潛在應(yīng)用。相關(guān)研究成果以“Triboelectric Nanogenerator Boosts Smart Green Tires”發(fā)表于在國(guó)際頂級(jí)期刊《Advanced Functional Materials》,文章的第一作者是北京化工大學(xué)武文杰博士研究生,共同一作是中國(guó)科學(xué)院納米能源與系統(tǒng)研究所曹霞教授。

研究亮點(diǎn)

1:第一次將摩擦納米發(fā)電機(jī)和白炭黑輪胎相結(jié)合,制備出了一體式的摩擦納米發(fā)電輪胎。

2:利用摩擦納米發(fā)電機(jī)的自傳感特性,將發(fā)電和自驅(qū)動(dòng)傳感相結(jié)合,得到了具有自驅(qū)動(dòng)胎壓檢測(cè)的智能輪胎

3:一定程度上解決了白炭黑的靜電問題,為靜電問題的解決提供了新思路。

4:所設(shè)計(jì)的輪胎結(jié)構(gòu)可以在現(xiàn)有的制造設(shè)備上生產(chǎn),不需要對(duì)現(xiàn)有設(shè)備升級(jí).

圖1. 摩擦納米發(fā)電機(jī)工作原理(a) 雙電極摩擦納米發(fā)電機(jī)工作原理。(b) 單電極摩擦納米發(fā)電機(jī)工作原理。(c) 摩擦納米發(fā)電機(jī)電荷電流示意圖。

  摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作模式可以簡(jiǎn)單的分為單電極和雙電極模式,其中單電極模式會(huì)將一端接地,以得到電勢(shì)差,(c)中為摩擦納米發(fā)電機(jī)的原理,當(dāng)右邊的金屬摩擦層離橡膠材料較遠(yuǎn)時(shí),橡膠表面的負(fù)電荷在靜電感應(yīng)的作用下,使得其左邊的導(dǎo)電層帶上正電荷。右邊銅板的接近,部分正電荷通過外電路從左邊的導(dǎo)電層流向右邊的摩擦層。當(dāng)橡膠和右邊銅質(zhì)的摩擦層相互接觸時(shí),正電荷全部流向右邊摩擦層,當(dāng)摩擦層和橡膠再次分離時(shí),部分正電荷重新流回到左邊的導(dǎo)電層,在這個(gè)過程中,電流的方向發(fā)生了變化,因此得到的是交流電。

圖2. 不同材料性能研究(a) 單雙模式電極斷路電壓對(duì)比。(b) 單雙模式電極短路電流對(duì)比。(c) 不同填充量斷路電壓對(duì)比。(d) 不同填充量短路電流對(duì)比。(e) 相同填充份數(shù)白炭黑和炭黑硫化膠DMA曲線。(f)相同填充份數(shù)白炭黑和炭黑硫化膠壓縮生熱溫升曲線。

  圖中(a)(b)可以看出,雙電極具有更強(qiáng)的輸出性能,然后由于單電極具有連接方便使用自由的優(yōu)點(diǎn),研究中依舊采用了單電極方案。(c)(d)中可以看出30phr的復(fù)合材料具有最佳的發(fā)電性能。(e)(f)中可以看出白炭黑具有更低的滾動(dòng)阻力(一般使用60度的損耗角正切表征)和生熱。因此后面的研究中都使用30phr的白炭黑天然橡膠復(fù)合材料研究。

圖3. 小型摩擦發(fā)電測(cè)試輪以及測(cè)試結(jié)果(a) 小型摩擦發(fā)電測(cè)試輪結(jié)構(gòu)。(b) 小型摩擦發(fā)電測(cè)試裝置。(c) 發(fā)電量與轉(zhuǎn)速關(guān)系(d) 發(fā)電量與載荷關(guān)系。(e) 摩擦發(fā)電輪點(diǎn)亮LED。(f) 摩擦發(fā)電輪點(diǎn)亮LED,關(guān)燈對(duì)比。

  為了驗(yàn)證摩擦納米發(fā)電輪胎的可行性,在實(shí)驗(yàn)室制作了一個(gè)較小的測(cè)試輪,在實(shí)驗(yàn)室的滾動(dòng)阻力儀上驗(yàn)證了輪狀摩擦納米發(fā)電機(jī)的可行性,為其在輪胎中的應(yīng)用做了初步嘗試。(c)(d)為該摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出性能和轉(zhuǎn)速以及負(fù)載的關(guān)系,可以看出和轉(zhuǎn)速具有較好的線性關(guān)系,而負(fù)載對(duì)其輸出影響不大。

圖4.貼合型摩擦發(fā)電輪胎。(a) 貼合型摩擦發(fā)電輪胎結(jié)構(gòu)(b)貼合型摩擦發(fā)電輪胎垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)電效果 (c) 貼合型摩擦發(fā)電輪胎滾動(dòng)發(fā)電效果(d) 貼合型發(fā)電輪胎自由落體運(yùn)動(dòng)發(fā)電電流(e) 貼合型發(fā)電輪胎自由落體運(yùn)動(dòng)發(fā)電電壓。

  為了進(jìn)一步驗(yàn)證輪胎中摩擦納米發(fā)電機(jī)的可行性,將摩擦納米發(fā)電機(jī)粘在輪胎表面進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果顯示,不管是垂直跳動(dòng)還是滾動(dòng),均具有較好的輸出性能。

圖5. 一體式發(fā)電輪胎制造過程。(a) 胎面制造。(b)三明治結(jié)構(gòu)胎面(c)輪胎成型。(d) 未硫化輪胎。(e) 輪胎脫模。(f) 一體式摩擦發(fā)電輪胎

  一體式摩擦納米發(fā)電輪胎的生產(chǎn)制造過程,(a)(b)在北京化工大學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成,其余均使用山東玲瓏輪胎股份有限公司,招遠(yuǎn)工廠實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備制造完成。

圖6. 發(fā)電輪胎結(jié)構(gòu)及測(cè)試。(a) 發(fā)電輪胎結(jié)構(gòu)。(b) 發(fā)電輪胎導(dǎo)電層以及發(fā)電輪胎實(shí)物。(c)發(fā)電輪胎測(cè)試過程。(d)發(fā)電輪胎測(cè)試過程LED特寫

  發(fā)電輪胎結(jié)構(gòu)中胎面為三明治結(jié)構(gòu),導(dǎo)電層內(nèi)置于其中,其余結(jié)構(gòu)和普通輪胎相同,硫化后在X光下可以清晰看到導(dǎo)電層未被破壞。在使用滾動(dòng)阻力測(cè)試儀模擬發(fā)電工況時(shí)效果良好,(d)中可以清楚看到三組LED燈被點(diǎn)亮后留下的光軌。

圖7. 發(fā)電輪胎自驅(qū)動(dòng)傳感性能。(a) 發(fā)電輪胎自驅(qū)動(dòng)胎壓測(cè)試示意圖。(b) 發(fā)電輪胎自驅(qū)動(dòng)胎壓測(cè)試電流線號(hào)。(c)發(fā)電輪胎電流信號(hào)和胎壓關(guān)系。(d) 發(fā)電輪胎轉(zhuǎn)化電荷量和胎壓關(guān)系。

  不同胎壓下輪胎從10cm高度處做自由落體,得到電流信號(hào),通過對(duì)電流信號(hào)的分析,可以發(fā)現(xiàn)電流大小和胎壓具有一定的正相關(guān)性,而轉(zhuǎn)化電荷量和胎壓顯示出較好的線性,可以作為自驅(qū)動(dòng)胎壓監(jiān)測(cè)設(shè)備使用。

  綜上所述,研究者通過將輪胎和摩擦納米發(fā)電機(jī)相結(jié)合,得到了具有發(fā)電特性的輪胎,并展示了其作為自驅(qū)動(dòng)胎壓傳感器的應(yīng)用。所制備的發(fā)電輪胎可以在不同的運(yùn)動(dòng)模式下發(fā)電,并具有自驅(qū)動(dòng)傳感性能,可以通過檢測(cè)電流信號(hào)得到輪胎胎壓,速度等信息,為未來綠色輪胎的發(fā)展和應(yīng)用提供了巨大的潛力。

存在問題與下一步計(jì)劃

  作為輪胎來講,由于在輪胎中加入了銅作為導(dǎo)電層,因此輪胎的壽面和耐久性必然會(huì)受到一定的影響,第一代的摩擦納米發(fā)電輪胎更多的是為了探究其可行性。而對(duì)于輪胎的一些其他性能兼顧較少。而作為摩擦納米發(fā)電機(jī)來講,由于需要配合現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝,摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)使用的是最為基礎(chǔ)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu),因此發(fā)電性能和和傳感性能還不夠十分突出。所以他們后續(xù)的主要工作將集中在以下是四個(gè)方面展開:

1:優(yōu)化可靠性和耐久度

  輪胎作為一個(gè)涉及安全的產(chǎn)品,可靠性和耐久度是非常重要的性能指標(biāo),在接下來的工作中,們會(huì)通過使用新材料和優(yōu)化摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)來制造盡可能滿足現(xiàn)有要求的摩擦納米發(fā)電輪胎。

2:提高發(fā)電量

  摩擦納米發(fā)電輪胎回收的主要能量是輪胎和路面之間的摩擦損耗掉的能量,由于橡膠材料這部分能量還是很大的,目前第一代發(fā)電輪胎回收的能量還比較小,因此在發(fā)電量上還有這較大的優(yōu)化空間。未來對(duì)于發(fā)電量的提高,也是們的主要目標(biāo)之一。

3:增強(qiáng)傳感精度和范圍

  由于第一代的摩擦納米發(fā)電輪胎在設(shè)計(jì)之初,僅考慮了發(fā)電性能,而對(duì)于傳感的性能并未兼顧較多,因此,第一代的發(fā)電輪胎僅可以作為胎壓監(jiān)測(cè)的傳感器,而且精度也并不高,未來對(duì)輪胎智能傳感的精度優(yōu)化和范圍擴(kuò)大(如作為胎溫傳感器等)都會(huì)是們工作的一部分。

4:相關(guān)配套設(shè)備的研發(fā)

  目前輪胎中得到的能量并沒有找到合適的使用場(chǎng)景,接下來們會(huì)通過考量發(fā)電量和輪胎的工作狀態(tài),設(shè)計(jì)出相應(yīng)的設(shè)備,使得輪胎中回收得到的這部分能量能夠被合理而高效的利用起來。

  論文鏈接:https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201806331

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