随着5G技术的不断发展，智能可穿戴设备越来越受人们欢迎。人体运动过程（呼吸、奔跑等）中会产生大量的机械能，其中一部分在维持生命活动中消耗，另一部分通过对外界做功而损耗。如果能将散失的部分机械能转化为供电的电能，则可以促进智能可穿戴设备的发展。摩擦纳米发电机的问世让人体运动产生的机械能转换成电能成为可能。摩擦纳米发电机是电负性差异较大的两种材料，在接触与分离的过程中，静电感应作用迫使电荷发生定向移动产生电势，从而将机械能转换成电能［1⁃2］。纺织基摩擦纳米发电机一般是以纤维或织物为基本组织单元的一种较为新型的摩擦纳米发电机，具有可折叠、易弯曲、耐磨损、穿着舒适等特性，更有利于从人体周围环境、人体运动中获取并收集能量［3⁃5］。目前纺织基摩擦纳米发电机包含纤维基摩擦纳米发电机和织物基摩擦纳米发电机两类，两类相比较，织物基摩擦纳米发电机输出电学性能较高，结构与性能更符合可穿戴设备的要求，受到较多研究者关注。例如：WANG K等在锦纶表面添加一层十六烷液膜，制备了一种基于十六烷夹层结构的摩擦纳米发电机，其最大输出电压和功率分别是传统摩擦纳米发电机的2.3倍和10.9倍［6］。WANG J等将多孔柔性层、PDMS板和防水柔性导电织物进行热压组合，形成三维单电极摩擦纳米发电机，该发电机不仅提高了摩擦电学输出，还有良好的耐湿性能［7］。SU M等将碳纳米管与丝素蛋白混合溶剂喷涂于用静电纺丝技术制备的丝纤维膜表面，并将纤维膜编织成纺织品，从而获得了具有微层状结构的摩擦纳米发电机，该摩擦纳米发电机具有良好的舒适性以及较好的电学输出性能［8］。可以看出，上述研究主要从材料结构入手，通过提高纳米发电机电荷转移效率提高摩擦发电功率，材料结构往往较复杂。实际上，提高摩擦纳米发电机电学性能不仅要提高电荷转移效率，更重要的是从源头上提高摩擦材料间的接触面积。受限于材料本身弯曲刚度和粗糙度，材料间的接触面积远低于实际接触面积，大大降低了材料间的电荷转移量。目前，受限于材料二维接触面自身缺陷，通过提高材料间的有效接触面积提高发电效率的研究较少，且难度较大［9］。自然界中壁虎的脚掌具有较强的黏附力，主要源于其脚掌亚微米级的绒毛结构。该绒毛与材料接触时表现出了超高的自适应性，绒毛尖端能够探入并接触到墙体凹凸结构内部，从而大大提高两者间的接触效率［10］。受此启发，我们利用纤维绒结构模拟壁虎脚掌结构制备具有良好适应性的织物摩擦发电机。芳纶1414具有优异的耐磨性、耐高温性、耐弯曲性能以及优异的摩擦发电性能，以其为摩擦层。将芳纶1414纱线穿入柔性不锈钢金属板中制备芳纶纱线簇绒织物，研究簇绒织物摩擦发电性能，为提高摩擦发电机发电效率提供新的思路。制备的织物在自供能智能感应地毯、智能可穿戴服装、智能感应玩具等领域有潜在的应用价值。1 试验部分1.1　材料与试剂芳纶1414纱线（线密度14.5 tex×2）；芳纶1313织物以及芳纶1414织物（经纬纱线密度均为14.5 tex×2，烟台泰和新材料股份有限公司）；羊毛织物、棉织物、锦纶织物和涤纶织物的单位面积质量均为200 g/m2左右，经密纬密不同（市售）；柔性金属网（25目，市售）；丙酮（分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司）。1.2　试验设备JC101型电热鼓风干燥箱（南通嘉诚仪器有限公司），SHA⁃CA型水浴恒温振荡器（江苏科析仪器有限公司），6514型可编程静电计（美国吉时利仪器公司），自制接触分离设备。1.3　样品制备如图1所示，将适量根数芳纶1414纱线穿入2 cm×2 cm的柔性金属网网眼中，得到纤维簇绒织物。将簇绒织物浸于丙酮溶液中，磁力搅拌12 h后用去离子水多次洗涤，置于80 ℃烘箱中充分干燥，最后置于避光处保存备用。每个网眼所含纱线根数为绒毛密度，单位为根/眼；纱线伸出金属网的长度为绒毛长度。.F001图1样品制备流程图1.4　摩擦发电性能测试如图2所示，利用单电极法将被测织物与地线相连。在室内环境（温度25 ℃，相对湿度45%）中采用6514型可编程静电计测试簇绒织物与不同织物接触分离产生的电压、电流和功率峰⁃峰值，计算各峰⁃峰值平均值。测试压力和测试频率分别为0.74 N和2 Hz。利用单因素变量控制方法探究绒毛长度、绒毛密度、纤维吸湿回潮率和接触材料种类对摩擦发电性能的影响。.F002图2测试原理图绒毛长度、绒毛密度对摩擦电性能的影响。将绒毛长度分别为0.2 cm、0.8 cm、1.4 cm和2.0 cm的芳纶1414纱线分别穿入2 cm×2 cm的柔性不锈钢金属网板中制得样品，其中绒毛密度为10根/眼。经充分烘干后，测试样品与羊毛织物接触分离产生的摩擦发电性能；以最佳的绒毛长度为依据，制备绒毛密度分别为6根/眼、8根/眼、10根/眼、12根/眼的2 cm×2 cm簇绒织物，经充分烘干后测试样品与羊毛织物接触分离产生的摩擦发电性能。纤维吸湿回潮率对摩擦发电性能的影响。以最佳绒毛长度和绒毛密度为依据制备2 cm×2 cm簇绒织物，将充分烘干的簇绒织物置于室内环境中，通过质量变化衡量吸湿回潮率变化情况，并测试簇绒织物在不同吸湿回潮率条件下与羊毛织物接触分离产生的摩擦发电性能。接触面对摩擦发电性能的影响。以最佳绒毛长度和绒毛密度为依据制备2 cm×2 cm簇绒织物，充分烘干后，测试簇绒织物分别与羊毛织物、棉织物、锦纶织物、涤纶织物、芳纶1313织物以及芳纶1414织物接触分离时产生的摩擦发电性能。2 结果与分析2.1　试验原理与测试分析由常见材料的摩擦带电序列可知［11］，在与其他材料摩擦的过程中，酰胺键更趋向于失去电子而使材料带正电荷，而芳纶1414分子链内部拥有至少85%的酰胺键。因此，可以推断出芳纶1414具有良好的摩擦发电性能。除此之外，芳纶1414制备过程中的牵伸促使大分子链结晶区中的酰胺键偶极子呈现平行排列状态，因此芳纶1414有一定的压电性能［12］。在触压过程中，纤维绒发生弯曲，破坏了酰胺键偶极子平行排列的状态，纤维绒由此发生压电效应。弯曲根数越多，产生压电效应的绒毛根数越多，绒毛织物压电性能越突出。摩擦发电机的基本工作模式包括垂直接触⁃分离模式、水平滑动模式、单电极模式以及独立层模式［13］。在单电极模式下，摩擦层材料与主材料相互接触时两材料带等量相反的电荷，此时开路电压为0 V；当两材料相互分离，主材料电极与接地参考电极形成一定电势差，由此形成开路电压，且电势差会驱动主材料上的电荷流向参考电极，从而产生瞬时电流；当材料由分离开始相互接触时，主材料电极与接地参考电极电势差减小，移动的电荷回到主材料电极，由此再次产生开路电压以及瞬时电流。单电极模式只有一个电极且电极接地，简化了摩擦发电机的结构，相比于其他三种工作模式，单电极模式更适合移动场景使用［14⁃16］。2.2　绒毛长度和绒毛密度的影响测试的绒毛长度与摩擦发电性能的关系如图3所示。随着绒毛长度的增加，簇绒织物的电压、电流以及功率峰⁃峰值平均值均呈先增大后减小的趋势。当绒毛长度为0.8 cm时，簇绒织物的输出电压峰⁃峰值平均值达到54.68 V，输出电流峰⁃峰值平均值达到575.97 nA，输出功率峰⁃峰值平均值达到7.87 W/m2，远大于其他规格簇绒织物。其主要原因可能是：绒毛长度为1.4 cm以及2.0 cm时，经仪器触压后的绒毛呈倒伏状，无法重新与羊毛织物充分接触，从而减少了羊毛织物表面与簇绒织物绒毛的摩擦。除此之外，经触压后，保持倒伏状态的绒毛在后续触压过程中，绒毛的弯曲根数有所下降，且绒毛长度越长，弯曲根数越少，从而降低了芳纶的压电效应。而当绒毛长度为0.2 cm时，在相同压力的作用下，绒毛与羊毛织物表面摩擦程度以及绒毛自身的弯曲根数均未达到较好水平。因此可以推断出，在外力作用下，当绒毛长度为0.8 cm时，绒毛与羊毛织物表面的摩擦程度较高，且绒毛自身压电性能较好。图3绒毛长度与摩擦发电性能的关系.F3a1（a）绒毛长度与电压电流的关系.F3a2（b）绒毛长度与功率的关系将绒毛长度为0.8 cm，绒毛密度分别为6根/眼、8根/眼、10根/眼、12根/眼的芳纶簇绒织物与羊毛织物接触分离，并进行电学性能测试，结果如图4所示。可以看出，随着绒毛密度的增大，簇绒织物的输出电压、电流以及功率峰⁃峰值平均值均呈先增大后减小的趋势。当绒毛密度为10根/眼时，簇绒织物拥有最大的电压、电流以及功率峰⁃峰值平均值。其可能的原因在于：当绒毛密度为6根/眼和8根/眼时，簇绒织物与羊毛织物表面的摩擦程度较低，且随着绒毛密度的增大，摩擦程度进一步提高。当绒毛密度为12根/眼时，由于绒毛密度太大，绒毛之间运动受限制，从而减少了绒毛之间摩擦现象的发生，降低了绒毛的弯曲根数。而当绒毛密度为10根/眼时，簇绒织物的绒毛与羊毛织物之间有良好的接触，且绒毛有良好的运动空间，便于绒毛受力弯曲，因此该条件下的簇绒织物具有良好的摩擦发电和压电性能。图4绒毛密度与摩擦发电性能的关系.F4a1（a）绒毛密度与电压电流的关系.F4a2（b）绒毛密度与功率的关系2.3　芳纶1414吸湿回潮率的影响将绒毛密度10根/眼、绒毛长度0.8 cm的芳纶簇绒织物与羊毛织物接触，并进行不同回潮率下的摩擦发电性能测试，结果见表1和图5。.T001表1不同时间条件下芳纶簇绒织物质量和回潮率时间/min质量/g回潮率/%02.735 600.52.738 70.111.52.741 60.222.02.742 00.2615.02.749 80.5250.02.760 40.91100.02.769 91.25图5回潮率与摩擦发电性能的关系.F5a1（a）回潮率与电压电流的关系.F5a2（b）回潮率与功率的关系从表1可以看出，随着时间的延长，芳纶1414簇绒织物的质量逐渐增加，其吸湿回潮率也逐渐增加。回潮率的增加对材料的摩擦发电性能有显著影响［17］。从图5可以看出，随着回潮率的增加，簇绒织物输出电压、电流以及功率峰⁃峰值平均值均出现先增大后减小的趋势。如图5（b）所示，当回潮率小于0.22%时，簇绒织物输出功率峰⁃峰值平均值随着回潮率的增加而增加，其可能原因为：当回潮率较低时，纤维绒之间没有形成连续水膜，不连续水膜为相互摩擦的绒毛表面产生的电荷提供了多条移动通道，促进电荷在材料表面转移，从而使簇绒织物的摩擦发电输出功率有所提升。而当回潮率大于0.22%时，纤维绒之间形成了连续水膜，隔断了电荷在材料之间的有效传输，且导走一部分摩擦静电荷，从而使簇绒织物的摩擦功率下降［18⁃19］。2.4　不同接触面的影响将绒毛密度10根/眼、绒毛长度0.8 cm的芳纶簇绒织物分别与羊毛织物、棉织物、锦纶织物、涤纶织物、芳纶1313织物以及芳纶1414织物接触分离，并进行电学性能测试，电压峰⁃峰值平均值依次为51.15 V、34.99 V、40.74 V、50.78 V、28.80 V、3.16 V，电流峰⁃峰值平均值依次为495.52 nA、330.83 nA、313.84 nA、570.50 nA、220.18 nA、14.47 nA，功率峰⁃峰值平均值依次为6.34 W/m2、2.89 W/m2、3.20 W/m2、7.24 W/m2、1.59 W/m2、0.01 W/m2。可以看出，与涤纶织物和羊毛织物接触时，芳纶簇绒织物具有较高的输出电压和输出电流，与锦纶织物和棉织物次之，而与芳纶1313织物和芳纶1414织物接触时，输出电压以及输出电流较小。可能的原因为：在相同摩擦条件下，羊毛与涤纶更容易与外界发生电子交换，而在相同的温湿度条件下，羊毛的吸湿率远大于涤纶，羊毛表面的连续水膜会导走部分静电荷［19］，所以当簇绒织物与羊毛接触时其产生的输出电流和输出功率略低于涤纶织物。芳纶与不同面料摩擦发电功率从大到小依次为涤纶织物、羊毛织物、锦纶织物、棉织物、芳纶1313织物、芳纶1414织物。3 结论本研究将芳纶1414纱线穿入不锈钢网板中制备了簇绒织物，通过调整绒毛长度、绒毛密度以及不同接触面材料，用单电极测试模式探究簇绒织物的摩擦发电性能，得出以下结论。（1）当绒毛长度为0.8 cm且绒毛密度为10根/眼时，簇绒织物具有最佳的摩擦电学性能，与涤纶织物接触输出电压、电流以及功率峰⁃峰值平均值分别为50.78 V、570.50 nA以及7.24 W/m2。（2）随着回潮率的增加，簇绒织物输出电压、电流以及功率峰⁃峰值平均值均呈先增大后减小趋势。当回潮率为0.22%时，簇绒织物具有最佳的输出功率，表现出较好的电学输出特性。（3）与不同面料摩擦，发电功率从大到小依次为涤纶织物、羊毛织物、锦纶织物、棉织物、芳纶1313织物、芳纶1414织物。