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教学科研

西南交通大学杨维清教授团队连续在国际顶尖杂志ACS Nano和Nano Energy上发表论文

来源:材料科学与工程学院  作者:刘庆利   编辑:陈丝丝   日期:2017/9/28   点击数:1251  

近日,西南交通大学材料科学与工程学院杨维清教授组建的纳米能源材料与功能器件研究所,在纳米能源材料与器件领域取得了重要进展,以西南交通大学为第一作者单位连续在国际顶尖杂志ACS Nano(影响因子13.942)和Nano Energy(影响因子12.343)在线发表论文。该项成果得到了四川省杰出青年基金项目、西南交通大学科研启动项目、学校及材料学院的大力支持。

在西南交大杨维清教授和美国佐治亚理工学院著名科学家王中林院士共同指导下,西南交大16级博士生张彬彬和15级博士张磊,发明了一种基于液态金属摩擦纳米发电机的自驱动加速度传感器。如图1所示,该传感器主要由液态金属以及纳米纤维薄膜组成。应用聚合物纳米纤维结构可以显著提高加速度传感器的输出性能,该加速度传感器的量程达到0-60 m/s2,其灵敏度高达0.26 V•s/m2,当加速度为60 m/s2时,该加速度传感器可以产生15.5 V的电压以及300 nA的电流。使用液态金属则赋予了该加速度传感器优异的耐久性能,在连续测试200 000周期后,传感器的输出电压基本没有变化。该加速度传感器可以实时监测车辆以及一些机械装置的微弱振动,并且可以作为可穿戴设备,实现人体运动的步态分析。该加速度传感器在振动监测、分析以及可穿戴设备中具有极高的应用潜质。

图1基于液态金属摩擦纳米发电机自驱动加速度传感器结构设计


另外,在杨维清教授的指导下,16级博士生靳龙创新性地利用磁悬浮原理巧妙地结合了摩擦发电机和电磁发电机制作了一个自驱动无线智能传感器。一方面我们利用了多孔PTFE作为摩擦发电机的摩擦层,增强了摩擦电效应,另一方面,磁悬浮的巧妙设计可以有效地减小运动过程中的能量损耗,更大程度地将机械能转换为电能。不仅如此,发电机各部分质量都是比较轻的,不会对列车整体构成任何负担。在电性能输出方面,仅用350秒就可以将0.1F的超级电容从0V充到3V,同时也可以有效地为锂电池充电。通过阵列的复合发电机可以持续地为无线智能传感器供电,并实时地将数据传输到智能手机上,实现了物联网(IoT)技术在高速列车检测系统中的应用。这为列车的安全监测提供了一个新的思路,并实现了物联网与高速列车的一个有机结合。

 

图2在高速列车上,将振动能收集起来转化为电能,通过电源管理技术为后端的传感器供电,以实现实时的无线监测。


【纳米能源材料与功能器件研究所介绍】

在西南交通大学和材料科学与工程学院的大力支持下,课题组由材料学院引进人才杨维清教授负责,于2014年4月成立,团队目标:以轨道交通的智能安全监测为重大需求,以纳米能源材料为基础,以微纳加工为手段,集成能源收集、能量储存和无线网络传感(ZigBee)的自供电智能安全监测无线网络技术。课题组成立三年半以来,一边建设实验室,一边开展相关科研工作,已经以西南交通大学第一作者单位在国际杂志发表高质量SCI论文20余篇(绝大多数为中科院1区论文,其中IF>10的高质量论文6篇,高被引论文2篇),申请国家发明专利10余项,所做工作被国务院副总理刘延东高度评价,同时被Newscienst(科技媒体世界排名第一)、CCTV、新华网、科技日报等10余家媒体的亮点报道。团队规模已发展为24人(含讲师,全职博士后,博士和硕士研究生),课题组网址:http://userweb.swjtu.edu.cn/Userweb/yangweiqing/index.htm。课题组致力于将基础研究和工程应用统一于轨道交通的微纳能源系统,竭诚寻找合作伙伴。