创新亮点

本研究在材料设计、结构优化与系统集成方面均具有显著创新性，主要体现在以下几个方面：

首次提出将涡流诱导振动（Vortex-Induced Vibration, VIV）与TENG结合，通过设计椭圆形入口锥体在气流中产生周期性涡街，驱动纳米纤维包覆纱线在管道内做非规则振荡，实现持续的电能输出。该设计显著提高了低风速下的能量捕获效率。

采用改进的静电纺丝工艺，在旋转的尼龙芯纱表面均匀包覆尼龙66纳米纤维，形成具有高比表面积和优异摩擦正电性的核鞘结构纱线。该结构不仅增强了电荷生成能力，还保持了纱线的柔性与机械强度。

通过引入多壁碳纳米管（MWCNTs）提升PVDF-TrFE的β相结晶度与介电极化能力，进一步通过原位聚合聚苯胺（PANI）构建导电层，形成具有优异摩擦负电性和导电性的复合膜（PM/A-NFM），显著提升了输出性能与耐久性。

采用3D打印技术构建轻量化、模块化的管状外壳，将NNFCY与PM/A-NFM集成于一体，形成可实际应用于车辆或飞行器表面的气流传感与能量收集模块。

系统在不同风速、湿度及机械磨损条件下均表现出稳定的输出性能，具备在实际复杂环境中应用的潜力。

核心实验

采用改进的静电纺丝装置，以旋转芯纱为收集器，在优化参数（18 wt% 尼龙66溶液，18 kV电压，0.5 mL/h流速，80 mm针距）下制备出直径约667 μm的NNFCY。SEM显示其表面纳米纤维直径约为440 nm，分布均匀，形成多层包覆结构。力学测试表明，NNFCY在保持原有尼龙纱线延展性的同时，具备更好的耐磨性与机械强度。

通过常规静电纺丝制备PVDF-TrFE/MWCNTs摩擦层（PM-NFM），并通过原位聚合PANI形成导电层（P/A-NFM），最后经热压复合形成PM/A-NFM。SEM、XRD、ATR-FTIR等分析表明，MWCNTs的引入显著提升了β相含量（最高达70.8%），PANI成功包覆于纤维表面，导电性达6.47×10⁻³ S/cm，满足电极要求。

VYOWS由外管、PM/A-NFM摩擦层和NNFCY振荡单元组成。气流经入口锥体产生涡流，驱动NNFCY与上下壁面发生周期性接触-分离，通过 triboelectric 与 electrostatic induction 机制产生交变电流。CFD模拟验证了涡流结构的存在及其对纱线振动的驱动作用。

在40 km/h风速下，0.2 wt% MWCNTs样品输出性能最佳，开路电压达100 V，峰值功率2.0 μW。过高MWCNTs含量（0.3 wt%）导致纤维融合与电荷泄漏，输出下降。

输出随风速增加而提升，在40 km/h时平均功率达2.0 μW。单层摩擦层性能最优，多层因距离增加导致静电感应减弱。

器件在40 km/h风速下连续运行8小时输出稳定，SEM显示磨损轻微。在不同湿度下仍能输出可区分信号，具备湿度传感潜力。实际路试中，器件成功为电子计时器供电，并能响应车辆加速/减速行为。

图文解读

图1: 材料制备工艺流程
该图展示了尼龙纳米纤维包覆纱线（NNFCY）和PVDF-TrFE纳米纤维膜的制备过程，包括改进的静电纺纱装置、常规静电纺丝以及原位聚合PANI导电层的步骤，突出了多材料复合与结构设计的创新性。

 

图2: 器件结构设计与工作原理
此图详细描述了VYOWS的整体结构组成，包括管状通道、摩擦层与振荡纱线的布置，并通过CFD模拟和原理示意图阐述了基于涡流诱导振动的接触-分离式发电机制。

 

图3: NNFCY的形貌表征与耐久性测试
通过SEM图像展示了NNFCY的截面、表面形貌和纤维分布，应力-应变曲线和摩擦测试结果表明其具有良好的机械强度和耐磨性，适用于长期振动环境。

 

图4: PM/A-NFM的形貌与力学性能
展示了不同MWCNTs含量下PVDF-TrFE纳米纤维的SEM图像、PANI包覆效果及应力-应变行为，表明0.2 wt% MWCNTs时材料在强度和柔韧性之间达到最佳平衡。

 

 图5: 材料结构与性能分析
通过XRD、ATR-FTIR和水接触角测试，分析了PVDF-TrFE的β相结晶行为、PANI的成功聚合以及材料的疏水性能，为电输出性能提供材料基础。

 

图6: 不同材料组合的输出性能对比
系统比较了MWCNTs含量、正负摩擦材料选择对输出电压、电流和功率的影响，确定了0.2 wt% MWCNTs与NNFCY+PM/A-NFM组合为最优配置。

 

图7: 风速与摩擦层数对输出的影响
展示了在不同风速和PM-NFM层数下VYOWS的电输出特性，明确风速提升和层数减少对输出性能的积极影响。

 

图8: 环境耐受性与耐久性测试
通过湿度变化和连续8小时运行测试，验证了VYOWS在高湿环境和长时间运行下的稳定性，SEM图像显示材料磨损轻微。

 

图9: 实际应用与道路测试
展示了VYOWS在电容充电、电子计时器驱动和实际车辆运行中的表现，证明其具备风速感知、能量收集和车辆运动响应的多功能集成能力。

 

结论与展望

本研究的Vortex-Driven Triboelectric Nanogenerator（VYOWS）通过涡流诱导振动实现了高效的气流能量收集与自驱动流速传感功能。该装置利用电纺尼龙纳米纤维包覆纱线与PVDF-TrFE复合薄膜之间的接触-分离模式，结合摩擦电与压电效应，成功将风能转化为电能，最大输出功率达2.1 μW，具备驱动小型电子设备（如电子计时器）的能力。

在材料方面，通过引入多壁碳纳米管（MWCNTs）增强PVDF-TrFE的β相结晶性与介电极化性能，并采用原位聚合聚苯胺（PANI）构建导电层，显著提升了电荷生成与保持能力。结构上，采用轻量化的纱线振荡设计与模块化封装，使其具备良好的机械耐久性与环境适应性（如疏水特性），适用于复杂气候条件下的户外应用。

值得注意的是，该设备所提供的多针头静电纺丝、温湿度精准控制、多材料共纺与纳米纱线制备能力，为类似VYOWS中所需的高性能纳米纤维材料（如尼龙纳米纤维鞘层、PVDF-TrFE/MWCNTs复合膜）的制备提供了可行的工艺平台。其多针阵列喷头、同轴纺丝、气流辅助纺丝与超声喷雾功能，尤其适用于开发复杂结构的摩擦电材料，支持未来在自供电传感与能量收集系统中的材料创新与性能优化。

展望未来，VYOWS展现出在智能交通、电动汽车和分布式气流监测系统中的广泛应用潜力。结合如E04这类多功能静电纺丝设备的材料制备能力，可进一步优化纤维结构、提升输出性能，推动该类器件向实际工程应用与商业化方向发展。

 

文章来源：https://doi.org/10.1021/acsaelm.5c00993