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，輪胎滾動阻力降低10%，可以減少整車2%的油耗，和內(nèi)燃機效率的提高速度以及可提高空間相比，這已經(jīng)是一個極其可觀的數(shù)值了。在輪胎工業(yè)中，有一個困擾輪胎工業(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強填料，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。這使得白炭黑輪胎在具有優(yōu)秀節(jié)油性能的同時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的限制。而摩擦發(fā)電機正是一種可以將該種缺點轉(zhuǎn)化為優(yōu)點，用靜電來發(fā)電的新技術(shù)，因為將白炭黑輪胎和摩擦納米發(fā)電機結(jié)合，不僅可以得到滾阻更低的輪胎，還可以回收部分能量，進一步提高整車熱效率。
近日，北京化工大學(xué)張立群教授團隊，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士團隊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，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)電機卻可以將這一負面效應(yīng)轉(zhuǎn)化為正面效應(yīng)，利用這一特性，達到回收能量的目的，同時通過檢測產(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)表于在國際頂級期刊《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，共同一作是中國科學(xué)院納米能源與系統(tǒng)研究所曹霞教授。
研究亮點
1：第一次將摩擦納米發(fā)電機和白炭黑輪胎相結(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)電機的自傳感特性，將發(fā)電和自驅(qū)動傳感相結(jié)合，得到了具有自驅(qū)動胎壓檢測的智能輪胎
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)，不需要對現(xiàn)有設(shè)備升級.
圖1. 摩擦納米發(fā)電機工作原理(a) 雙電極摩擦納米發(fā)電機工作原理。(b) 單電極摩擦納米發(fā)電機工作原理。(c) 摩擦納米發(fā)電機電荷電流示意圖。
摩擦納米發(fā)電機的工作模式可以簡單的分為單電極和雙電極模式，其中單電極模式會將一端接地，以得到電勢差，（c）中為摩擦納米發(fā)電機的原理，當(dāng)右邊的金屬摩擦層離橡膠材料較遠時，橡膠表面的負電荷在靜電感應(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，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，部分正電荷重新流回到左邊的導(dǎo)電層，在這個過程中，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比。(b) 單雙模式電極短路電流對比。(c) 不同填充量斷路電壓對比。(d) 不同填充量短路電流對比。（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，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)電測試輪以及測試結(jié)果(a) 小型摩擦發(fā)電測試輪結(jié)構(gòu)。(b) 小型摩擦發(fā)電測試裝置。(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)電輪點亮LED。(f) 摩擦發(fā)電輪點亮LED，關(guān)燈對比。
為了驗證摩擦納米發(fā)電輪胎的可行性，在實驗室制作了一個較小的測試輪，在實驗室的滾動阻力儀上驗證了輪狀摩擦納米發(fā)電機的可行性，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)電機的輸出性能和轉(zhuǎn)速以及負載的關(guān)系，可以看出和轉(zhuǎn)速具有較好的線性關(guān)系，而負載對其輸出影響不大。
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)電輪胎垂直運動發(fā)電效果 (c) 貼合型摩擦發(fā)電輪胎滾動發(fā)電效果(d) 貼合型發(fā)電輪胎自由落體運動發(fā)電電流(e) 貼合型發(fā)電輪胎自由落體運動發(fā)電電壓。
為了進一步驗證輪胎中摩擦納米發(fā)電機的可行性，將摩擦納米發(fā)電機粘在輪胎表面進行測試，測試結(jié)果顯示，不管是垂直跳動還是滾動，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)實驗室完成，其余均使用山東玲瓏輪胎股份有限公司，招遠工廠實際生產(chǎn)設(shè)備制造完成。
圖6. 發(fā)電輪胎結(jié)構(gòu)及測試。(a) 發(fā)電輪胎結(jié)構(gòu)。(b) 發(fā)電輪胎導(dǎo)電層以及發(fā)電輪胎實物。(c)發(fā)電輪胎測試過程。(d)發(fā)電輪胎測試過程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。在使用滾動阻力測試儀模擬發(fā)電工況時效果良好，（d）中可以清楚看到三組LED燈被點亮后留下的光軌。
圖7. 發(fā)電輪胎自驅(qū)動傳感性能。(a) 發(fā)電輪胎自驅(qū)動胎壓測試示意圖。(b) 發(fā)電輪胎自驅(qū)動胎壓測試電流線號。(c)發(fā)電輪胎電流信號和胎壓關(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，通過對電流信號的分析，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)動胎壓監(jiān)測設(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動模式下發(fā)電，并具有自驅(qū)動傳感性能，可以通過檢測電流信號得到輪胎胎壓，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)電機的結(jié)構(gòu)使用的是最為基礎(chǔ)簡單的結(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方面展開：
1：優(yōu)化可靠性和耐久度
輪胎作為一個涉及安全的產(chǎn)品，可靠性和耐久度是非常重要的性能指標，在接下來的工作中，他們會通過使用新材料和優(yōu)化摩擦納米發(fā)電機的結(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。未來對于發(fā)電量的提高，也是他們的主要目標之一。
3：增強傳感精度和范圍
由于第一代的摩擦納米發(fā)電輪胎在設(shè)計之初，僅考慮了發(fā)電性能，而對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)測的傳感器，而且精度也并不高，未來對輪胎智能傳感的精度優(yōu)化和范圍擴大（如作為胎溫傳感器等）都會是他們工作的一部分。
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景，接下來他們會通過考量發(fā)電量和輪胎的工作狀態(tài)，設(shè)計出相應(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
