《Sustainable Materials and Technologies》：CNT-functionalized triboelectric vibration sensor with spring steel elastic beam for marine machinery vibration monitoring
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摘要传统振动传感器因高湿度、盐雾、电磁干扰、空间受限、低频性能不足及依赖外部电源等问题，不适用于船舶机舱的长期分布式监测。本文提出了一种基于弹簧钢片的自供电摩擦纳米发电振动传感器。弹性基底与碳纳米管（CNT）改性的硅胶摩擦电层集成在一起，并采用3D打印PLA榫卯结构壳体进行密
摘要
传统振动传感器因高湿度、盐雾、电磁干扰、空间受限、低频性能不足及依赖外部电源等问题，不适用于船舶机舱的长期分布式监测。本文提出了一种基于弹簧钢片的自供电摩擦纳米发电振动传感器。弹性基底与碳纳米管（CNT）改性的硅胶摩擦电层集成在一起，并采用3D打印PLA榫卯结构壳体进行密封封装。通过ANSYS仿真与对比实验对结构参数进行了优化。最佳支撑间隙、硅胶层厚度和钢片厚度分别为2 mm、1 mm和0.1 mm。碳纳米管功能化有效增强了传感器的电输出性能。该传感器在5–50 m/s2的加速度范围和0–3 mm的振幅范围内表现出稳定的传感响应，在实验测试频率点处可识别0.5至1000 Hz的振动频率。传感器在倾斜安装及180,000次耐久性循环后仍保持稳定的线性输出，展现出优良的环境适应性。在船用空气压缩机和吹风机的现场测试表明，该传感器能够捕获设备启停全过程的振动信号，并准确识别主频。集成Arduino、LoRa和PyQt5界面的无线监测系统实现了实时数据可视化、运行状态识别和过度振动预警。凭借自供电传感能力、简洁结构和低成本制造优势，所提出的传感器为船舶机械的在线状态监测提供了可靠解决方案。
引言
受船舶装备快速智能化和远洋升级的驱动，包括柴油机、齿轮箱和推进轴系在内的核心动力机械运行状况直接关系到船舶的航行安全和服务寿命[1]、[2]、[3]。低频振动信号能够直观地表征部件磨损、连接松动和轴系对中不良等初始故障[4]、[5]、[6]。此类信号的高精度、高可靠性采集是机械健康评估和故障诊断的基本前提[7]、[8]、[9]。随着船舶向更高功率和更长续航航行发展，机舱设备的运行负荷和工作条件复杂性持续上升，对振动监测系统的可靠性提出了更严格的要求[10]、[11]。机舱受到多物理场耦合干扰，处于恶劣工况环境[12]、[13]。开发具有高鲁棒性的低频振动传感器对维持动力机械稳定运行、防止灾难性故障具有重大工程意义。然而，机舱内部紧凑布局和密集的设备布置对传感器安装位置和安装方式造成了严重限制，增加了传感设备的结构设计和现场部署难度[14]、[15]。此外，传统传感器在低频范围内通常信噪比（SNR）较低，微弱的故障特征信号容易被环境振动噪声和电源干扰所淹没，难以实现早期故障的准确识别[16]、[17]。
传统部署于船舶机舱的振动传感器，包括压电式、电容式和常规电磁式传感器，在普通工业场景中性能尚可，但在恶劣的机舱服务环境下存在明显的固有缺陷[18]、[19]。压电式传感器易受温度漂移和湿热腐蚀影响，伴随压电性能的显著退化，同时低频响应能力不足，限制了其对机舱关键机械低频特征振动信号的捕获能力[20]、[21]。电容式传感器结构脆弱，易受油气雾、粉尘和水汽侵蚀，导致严重信号漂移和较差的电磁免疫能力[22]、[23]。常规电磁式传感器在低频灵敏度有限、长期稳定性差，且磁路脆弱，易受环境干扰，无法满足严格机舱工况下长期稳定监测的需求[24]、[25]。针对船舶动力系统对低频监测精度、环境鲁棒性和长期服役耐久性的严格要求，开发适应极端机舱环境的高性能新型低频振动传感器已成为亟待解决的技术瓶颈[26]、[27]、[28]。此外，这些主流传感器普遍依赖外部电源和有线信号传输，阻碍了在狭小机舱空间内的大规模分布式部署，并增加了整体监测系统的维护和升级成本[29]、[30]。
近年来，摩擦纳米发电机（TENG）技术凭借其自供电特性、灵活的选材、多样化的结构设计和对机械振动的高灵敏度，在恶劣复杂环境下的传感应用展现出巨大的应用潜力，为船舶机舱振动监测提供了创新的技术途径[31]。借助接触起电和静电感应强耦合效应，TENG器件在微弱振动激励下即可实现高效的机电转换，与传统传感器相比，在宽频带范围内具有优越的环境适应性[32]、[33]。同时，此类传感器整体结构简洁，便于微型化和密封封装，赋予其对多场外界干扰的良好抵抗能力[34]、[35]。通过对弹性元件构型、摩擦电材料匹配和整体封装方案的针对性优化，可进一步提升其在长期循环振动激励下的输出稳定性和测量精度，使TENG成为构建海洋应用自供电振动传感元件的理想候选。近期研究通过材料和界面工程、多模态传感、结构优化和智能信号感知等手段，显著推进了新型传感技术的发展[36]、[37]、[38]。例如，通过结构和界面工程开发了集静态-动态压力传感和AI辅助触觉感知于一体的摩擦电传感器[39]、[40]、[41]。然而，这些研究主要聚焦于压力和触觉传感、能量收集或智能感知领域，而专门面向船舶旋转机械的摩擦电振动传感仍处于相对探索阶段[42]、[43]、[44]。特别是针对船舶机舱受限环境，将柔顺振动敏感结构、摩擦电材料改性、紧凑封装和无线状态监测进行集成设计的研究尚不多见。因此，开发兼具机械响应优化和实际机械监测功能的结构简洁型振动传感器仍然具有重要的研究价值[45]、[46]、[47]。
因此，本文提出了一种弹簧钢片摩擦纳米发电机（SS-TENG），用于船舶机舱恶劣条件下的振动传感。基于简支梁理论进行设计，该传感器以弹簧钢片-硅胶膜复合材料作为核心振动敏感单元，两端由封装壳体夹紧。基于接触-分离式自由站立摩擦电机制，本文系统研究了硅胶厚度、钢片厚度和支撑间隙对其电输出的影响，并表征了灵敏度、线性度、宽带响应和环境稳定性等关键指标。在对应标定条件下，该传感器对5–50 m/s2振动加速度和0–3 mm振动振幅提供线性响应，其在0.5至1000 Hz代表性激励频率范围内的频率识别能力也得到了进一步评估。当硅胶厚度为1 mm、钢片厚度为0.1 mm、间隙为2 mm且涂覆碳纳米管时，可实现最佳输出电压和线性度。其榫卯封装设计旨在提高结构完整性并减少传感单元暴露于潮湿和污染环境的风险。本研究还构建了一套集成无线振动监测系统，并在真实船舶上的船用空气压缩机和吹风机上进行了测试应用。作为与无线监测系统集成的自供电振动传感元件，SS-TENG加速了船舶监测传感器和维护系统的智能化升级。
章节摘要
结果与讨论
为详细说明SS-TENG的机电转换机制，首先介绍器件的制造流程、结构组成和工作原理。图1a展示了SS-TENG的制造流程和典型应用场景。该传感器可直接部署于包括船用柴油机、压缩机和电机在内的旋转机械振动监测，具有安装便捷、被动自供电传感和结构紧凑等特点
结论
本研究设计并制造了一种基于弹簧钢片的机械振动监测摩擦电传感器。该传感器以弹簧钢片作为核心振动元件，硅胶片作为激励和缓冲层，碳纳米管（CNTs）作为功能改性涂层。结合封装PLA壳体，该器件在测试条件下展现出良好的结构完整性和稳定的传感性能。借助机械
实验部分
传感器制备：核心振动元件的制备过程为：将硅胶前驱体A剂和B剂在真空条件下混合脱泡，然后将混合物注入直径为2 cm、厚度梯度为0.5–2 mm的圆形阴模中进行固化。脱模后，对硅胶表面进行抛光，随后通过丝网印刷在一侧均匀涂覆CNT溶液，并进行干燥处理。将两片CNT涂覆硅胶片对称地
CRediT作者贡献声明
邹永九：原创草稿撰写、资源支持、调查研究、概念构思。沈青玲：审阅与编辑、原创草稿撰写、调查研究、数据整理。曾宇迪：审阅与编辑、原创草稿撰写、数据整理。卢旭：审阅与编辑、原创草稿撰写、数据整理。周长敏：监督指导。顾辰阳：审阅与编辑。杜泰莉：监督指导。徐敏怡：监督指导、项目管理。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作得到国家自然科学基金（基金号：52671370）、中国博士后科学基金（基金号：2025T180074、2024M750297）以及北京高熵能源材料与器件重点实验室、北京纳米能源与系统研究所（基金号：GS2025MS004）的资助。
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