纳米钛酸钡增强导电橡胶的摩擦电纳米发电机：微结构调控与风力发电应用

研究人员针对柔性电子器件机械性能差、导电填料易团聚等问题，通过将纳米钛酸钡(Bt)与导电天然橡胶(CKC/Nr)复合，开发出具有负介电常数(235°C)的新型材料。该材料在FBCNRPVC8转子构型中实现789 Vrms和27 μArms输出，显著提升摩擦电纳米发电机(TENG)的风能转换效率，为屋顶通风系统可持续供能提供创新方案。

　　

研究背景
在柔性电子器件快速发展的当下，如何兼顾材料的导电性、机械强度和环境适应性成为关键挑战。传统生物基导电材料如细菌纤维素-聚吡咯(BC-PPy)膜虽具柔性，但存在信号不稳定、修复困难等缺陷。导电天然橡胶(CNR)虽在可穿戴设备中广泛应用，但高填料负载导致的粘度上升和分散不均问题长期困扰研究者。与此同时，风力发电用摩擦电纳米发电机(TENG)因机械磨损导致的性能衰减问题亟待解决。

研究机构与方法
泰国国家研究委员会支持的研究团队通过纳米钛酸钡(Bt)改性导电橡胶体系，采用熔融共混法制备CKC/Nr-Bt复合材料。关键技术包括：1) 通过SEM分析MWCNTs分散形态；2) 测定介电常数随温度变化曲线；3) 构建FBCNRPVC8转子构型风力TENG；4) 采用240 rpm转速测试电输出性能；5) 通过260 LED阵列验证实际应用效果。

研究结果
微结构分析
SEM显示添加0.75 wt% Bt可有效解离MWCNTs团聚体，使填料间距扩大至纳米级，形成更均匀的导电网络(图1b)。

机电性能
CKC/Nr-Bt0.75样品拉伸强度提升40%，且在190°C以下保持稳定电阻值。独特的是，CKC/Nr-Bt1在235°C呈现负介电常数，这源于Bt纳米颗粒引发的偶极子重排效应。

风力发电应用
FBCNRPVC8构型转子在240 rpm时产生789 V_rms/27 μA_rms输出，较纯PVC转子寿命延长3倍。屋顶通风系统测试中，复合材料的电荷密度提升使LED亮度提高35%。

结论与意义
该研究通过纳米Bt的"桥梁效应"同时解决了导电填料分散(降低Ketjen black团聚)和机械增强(交联度提升)的悖论问题。开发的FBCNR-PVC复合转子突破传统TENG在持续摩擦下的耐久性瓶颈，其负介电常数特性为高温环境能量收集提供新思路。Hassakorn Wattanasarn团队的研究成果被《Materials Research Bulletin》收录，专利(No.2303003533)正在审批中，标志着天然橡胶基材料在可再生能源领域的重大突破。