智慧城市的發展離不開眾多的應變傳感器。由于鋰離子電池容量受限，需頻繁充電，且使用過多會造成高昂成本和一系列環境污染。作為新時代能源技術之一，摩擦電動納米發電機(下文簡稱TENG)因無污染(各型機械能如風能轉化為電能)、體積小、成本低、結構簡單、有效的能量轉換，成為重要的能源技術方向。
傳統的風能型TENG通常是剛性和堅硬的，能量轉換率較低，無法滿足柔性化自供電型電子設備的發展需求。故研究通過新型復合材料在不同拉伸應變力下的能量轉換機理進而提高風能型TENG的性能成為科研熱點。來自中國科學院北京納米能源與納米系統研究所北京微納米能量與傳感器重點實驗室的科學家們研究制備了一種基于新型復合材料的可拉伸裝置(見圖1)，以深入研究各項電氣輸出性能在不同拉伸應力下的變化機理。
1丙烯酸板和墊片；2石墨烯-PDMS(聚二甲基硅氧烷，有機硅一種)納米復合膜；3PDVF(聚偏氟乙烯，一種絕緣材料)-PDMS納米復合膜；
圖1 一種基于石墨烯/PTFE-PDMS復合拉伸材料的TENG
該新型裝置的運作機制為上下兩層石墨烯-PDMS薄膜周期性地與中間的PTFE-PDMS薄膜在風力的作用下相互接觸、分離，并因摩擦起電和靜電感應作用，產生的電荷在正負電極上(安裝在石墨烯-PDMS薄膜上的兩個鋁箔)周期性的遷移，進而向外界輸出交流電。
科研人員采用千眼狼高速振動位移測量系統觀測和記錄TENG在不同拉伸應力條件下薄膜的接觸及相對位移情況，進而探究不同振動條件、上下層薄膜設計結構對電能輸出之間的影響。圖2為高速攝像機拍攝的TENG在0%拉伸應力下一個振動周期內的照片，圖片中可清晰地看到上下兩層石墨烯層周期性與中間的PTFE依次接觸、分離。
圖2 0%應力下一個振動周期的圖片
圖3為千眼狼高速攝像機抓取的不同拉伸應力下0%、20%、40%、60%、70%下薄膜的石墨烯-PDMS層和PTFE-PDMS層在振動中的接觸情況，可以看到70%應力下接觸面積增大了2.35倍。亦可通過精準的標定計算出上中下各層薄膜在不同拉伸應力下的相對位置變化(圖4)，進而推算不同應力下接觸面積和輸出正負電荷的關系。
圖3 0%和70%應力下的接觸
圖4 各層薄膜相對位置變化
為進一步研究拉伸應變對TENG輸出電壓/振動頻率的影響，科研人員用千眼狼高速攝像機從豎向視角對不同應力下復合膜的寬度進行觀測(見圖5)，可以看出，隨著應力的增大，復合膜寬度逐漸減小，輸出電壓/振動頻率呈現出增加趨勢(見圖6)。再通過自然對數擬合，得到輸出電壓/振動頻率與不同應力的線性關系(見圖7)，可計算出基于石墨烯/PTFE-PDMS符合材料的新型TENG的電壓/振動頻率應變靈敏度為1.75/0.97(應力區間0% < ε ≤ 45%)、0.65/0.4(應力區間50% < ε ≤ 70%)，足以證明可伸縮的TENG可作為采集風能實現自給供電的超靈敏的應變傳感器，實質化助推智慧城市的建設。
圖5 不同壓力下TENG側視圖
圖6 壓力-電壓關系圖
圖7 電壓/振動頻率與應力之間的自然對數擬合曲線
附：千眼狼振動位移測量系統介紹
可精準觀測振動物體、薄膜的全部動態特性，一次測量整片區域振動情況
搭載千眼狼專業測量軟件可獲取物體表面三維坐標，應用于全場應變、位移、振幅、模態、速度、加速度、角速度、轉速等信息的測量和獲取
支持搭配各型鏡頭、搭配多型設備如脈沖激光、振動臺、拉力機等進行研究；支持外部力學信號實時加載至圖像上。
核心性能參數2320X1720@500FPS
