近日，中國(guó)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(cè)等研究方面取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)了拱形和柔性結(jié)構(gòu)的能量捕獲創(chuàng)新設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)了金屬的陰極保護(hù)，預(yù)計(jì)將為海洋環(huán)境腐蝕防護(hù)和監(jiān)測(cè)應(yīng)用開(kāi)辟新途徑。研究成果分別發(fā)表在國(guó)際期刊《先進(jìn)材料》和《先進(jìn)功能材料》上。
據(jù)介紹，團(tuán)隊(duì)受拱橋結(jié)構(gòu)啟發(fā)，通過(guò)簡(jiǎn)單的彎曲工藝，設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(shí)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(guò)450%，證明了為低功耗電子設(shè)備供電的可行性。經(jīng)過(guò)26小時(shí)的耐久性測(cè)試后，器件的電氣輸出性能依然保持良好穩(wěn)定性。通過(guò)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(yàn)證了其在真實(shí)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(duì)設(shè)計(jì)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(jiǎn)單，成本低廉，可就地取材組裝，較同條件激勵(lì)下的剛性接觸結(jié)構(gòu)輸出性能提高200%。通過(guò)不同類型的對(duì)比驗(yàn)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(wàn)次的重復(fù)測(cè)試驗(yàn)證了其穩(wěn)定性，對(duì)碳鋼的陰極保護(hù)實(shí)驗(yàn)與火焰報(bào)警器的供電實(shí)驗(yàn)證明了其在工程中的適用潛力，為未來(lái)海上石油平臺(tái)的腐蝕預(yù)防和安全監(jiān)測(cè)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(chǎng)景
中國(guó)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(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
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