近日，國內(nèi)研究機構(gòu)聯(lián)合輪胎企業(yè)，制作出具有智能傳感功能的第一代摩擦納米發(fā)電綠色智能輪胎。

輪胎世界網(wǎng)獲悉，這款輪胎由北京化工大學張立群教授團隊，中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林教授團隊，攜手山東玲瓏輪胎股份有限公司聯(lián)合研發(fā)。

據(jù)介紹，該產(chǎn)品基于摩擦納米發(fā)電機，結(jié)合白炭黑綠色輪胎的特性來發(fā)電，可以回收輪胎和地面摩擦產(chǎn)生的能量。

以下為第一代摩擦納米發(fā)電綠色智能輪胎的介紹。

什么是摩擦納米發(fā)電機？

摩擦納米發(fā)電機最早在2012年由王中林教授提出，主要原理包括靜電感應(yīng)效應(yīng)和摩擦起電效應(yīng)。

圖1：摩擦納米發(fā)電機的工作原理

當橡膠材料（圖中灰色部分）和銅（圖中紅色）接觸時，由于兩者對電子的吸引能力不同，在界面上會發(fā)生電荷的分離。銅表面的一部分電子，流入到橡膠材料表面，使得橡膠材料帶負電，銅帶正電。然后，銅板和橡膠開始分離，由于橡膠材料是絕緣的，因此表面的電荷會被固定下來。由于銅板和橡膠背后的銅板是連通的，二者電勢必須相等。因此，有一部分的正電荷，會從橡膠右邊的銅板中流向橡膠左邊的銅板，如圖中紅色剪頭所示。

當右側(cè)銅板運動到最大位移處停止，然后再次接近銅板，此時由于橡膠表面負電荷的吸引，正電荷重新流回到右側(cè)銅板，直至接觸后銅版中的正電荷和橡膠表面的負電荷相等。

在這個過程中，電流流向發(fā)生了改變，因此摩擦納米發(fā)電機得到的電流是交流電，而不是直流電。

其中，機械作用力由于分離電荷，使得電荷的電勢發(fā)生了變化，完成了機械能向電能的轉(zhuǎn)化，這就是接觸分離式摩擦發(fā)電機（圖2-a）的基本原理。

除了這種最基本的工作模式外，摩擦納米發(fā)電機還有另外三種工作模式，分別是滑動模式（圖2-b），單電極模式（圖2-c），自由摩擦層模式（圖2-d），如圖2所示。

圖2：摩擦納米發(fā)電機的四種基本模式

摩擦納米發(fā)電機是一種新型的能源技術(shù)，相比較于傳統(tǒng)的電磁發(fā)電機，摩擦納米發(fā)電機具有使用范圍廣，工作效率高，體積輕便，容易制造等眾多優(yōu)點。因此，摩擦納米發(fā)電機在能量回收和新能源利用方面，有較多的應(yīng)用。

同時，由于摩擦納米發(fā)電機對環(huán)境的較為敏感，環(huán)境的變化很容易引起輸出電流的變化，因為摩擦發(fā)電機還總是被用于智能自驅(qū)動傳感器。

所謂的自驅(qū)動傳感器，是相對于普通的傳感器而言的。普通的傳感器均包含電源裝置，通過電源供應(yīng)能量使其工作。自驅(qū)動傳感器指的是能夠從工作環(huán)境中攫取能量，通過這部分能量來工作的傳感器。這種傳感器具有免維護，長期使用成本低等優(yōu)勢。

在未來的物聯(lián)網(wǎng)和人工智能時代，需要海量傳感器的背景下，這種不需要更換電源或者充電維護的傳感器，無疑是最佳的選擇。

為什么選擇白炭黑輪胎？

在輪胎制造行業(yè)，有一個困擾很久的問題，就是輪胎的魔三角。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，還可以兼顧其他性能。

但是，白炭黑輪胎由于具有較強的靜電，在實際使用中一直需要加入部分炭黑，以通過輪胎電阻測試。

這一獨特的缺點，在和摩擦發(fā)電機結(jié)合以后卻變成了優(yōu)點，可以用來回收部分被摩擦損耗掉的機械能。

發(fā)電輪胎的工作原理是什么？

由于輪胎在工作過程中的運動狀態(tài)，以及上文提到的四種基本模式都不相同，因此，發(fā)電輪胎中的摩擦納米發(fā)電機，需要結(jié)合輪胎的實際工作狀況單獨設(shè)計。

工作人員將導電層置于胎面層中間，使用輪胎胎面作為摩擦納米發(fā)電機的摩擦層，將導電層內(nèi)置其中。

這樣，在輪胎成型的步驟中，可以使用和普通輪胎相同的工藝流程。發(fā)電輪胎的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3：摩擦納米發(fā)電輪胎的結(jié)構(gòu)及測試實物圖

在發(fā)電輪胎中，內(nèi)置于輪胎胎面下的導電層，在輪胎滾動的過程中，由于和地面的距離不斷地發(fā)生改變，進而發(fā)生電勢的變化，當導電層接地或者和電勢較低的地方相連后，就會形成交流的電信號。

這是一種結(jié)合了單電極模式和接觸分離模式的工作模式。這就是摩擦納米發(fā)電輪胎的工作原理。

為什么可以叫做智能輪胎？

由于摩擦納米發(fā)電機對外界環(huán)境具有很高的敏感度，外界環(huán)境的變化，會引起摩擦納米發(fā)電機輸出電流的變化，因為摩擦納米發(fā)電機可以作為傳感器使用。

第一代發(fā)電智能輪胎就可以作為胎壓傳感器使用。由于其不需要外界供電，可以自發(fā)從環(huán)境中攫取能量的特點，可以做到無源免維護的自驅(qū)動傳感（self-powered sensors）。

同時，由于導電層均勻的分布在輪胎中，電流信號的間隔時間就是輪胎轉(zhuǎn)動三分之一圈的時間，因此，車輛的速度信號，也可以從發(fā)電輪胎的信號中得到。

這種摩擦納米發(fā)電輪胎所具有的的自驅(qū)動傳感性能，同以往的普通輪胎或者加入有源傳感器的普通輪胎有著很大不同。

在這種自驅(qū)動傳感器中，輪胎工作時會產(chǎn)生傳感信號，信號同時反映了輪胎的狀態(tài)，相當于輪胎自己“告訴”了他的狀態(tài)，而不是使用者去主動讀取。

未來，無人駕駛的進一步普及和成熟，主要是建立在眾多的傳感器和程序算法的基礎(chǔ)上，而輪胎作為汽車重要組成部分和唯一直接接觸地面的部件，毫無疑問，輪胎中的智能傳感裝置也是極其重要的。

無論從節(jié)能減排還是從工程維護成本的考量來說，這都具有重大意義和巨大的潛在應(yīng)用價值。

發(fā)電輪胎能發(fā)多少電？

9平方厘米該種輪胎胎面材料，在實驗室就可以得到21μA的電流輸出和150V的電壓。

在實際使用中，由于輪胎的高速滾動，具體的數(shù)值較難測量。

考慮到這是第一代產(chǎn)品，性能上還有很多的優(yōu)化空間，在材料和結(jié)構(gòu)上還有較多可以改進的地方。

如果按照目前的較高數(shù)值500Wm2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這種發(fā)電輪胎，相當于可以節(jié)約2.5*10^8 kg汽油。

圖4：發(fā)電輪胎制備過程

圖5：發(fā)電輪胎實物圖

圖6：發(fā)電輪胎測試中

圖7：發(fā)電輪胎發(fā)電效果特寫

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