研究背景
民用基础设施经常受到外部机械载荷，例如来自车辆、行人、振动、风、水流、海浪等的机械载荷。这些机械载荷通常会导致结构裂纹甚至失效，因此，有必要提出民用基础设施结构健康监测(SHM)的新方法。
水泥基传感器是通过将导电填料掺入广泛使用的水泥材料中，将其转化为具有压阻特性的传感器而制成的。该传感器通过检测电导率变化来监测施加在水泥基体上的外部载荷，这些变化是由导电填料在基体内的相对运动引起的。除了监测这些机械载荷外，如果可以采用解决方案来减轻和利用机械能，它不仅可以保护基础设施，还可以有效地利用施加的机械能。摩擦纳米发电机(TENG)通过摩擦电效应和静电感应将机械能转化为电能，代表了一种创新的能量收集技术。将基于水泥的传感器和TENG技术与民用基础设施集成，有可能捕获施加到这些基础设施上的机械能，并将其转化为电能，为基于水泥的传感器提供动力。这种方法可以显著减少基础设施运行所需的电能，从而有助于实现土木工程的碳减排和可持续发展目标。
文章概述
近日，新南威尔士大学Wengui Li教授团队本研究使用完全固化的纳米炭黑(NCB)增强水泥砂浆开发了一种集成的水泥基摩擦纳米发电机(TENG)和压阻式自感应传感器。在水泥基TENG 中，薄水泥板用作正摩擦电层，而聚四氟乙烯(PTFE)板用作负摩擦电层。电气输出电压随负载频率和表面接触面积的增加而增加。在4.0Hz的频率下，40mm×40mm×5mm水泥基TENG产生了8.2μA的短路电流和高达113V的开路电压。该输出足以在整流后25秒内将10μF电容器充电至0.32V。对具有不同表面积的水泥基 TENG的摩擦电性能的比较表明，较大的试样的有效接触面积百分比较低。这归因于水泥基板和PTFE板的不平整表面，以及水泥基表面上的小突起和孔洞。基于压阻式水泥的传感器在各种载荷幅度、速率和条件（包括压缩和弯曲）下表现出出色的自感应能力。这些传感器无论是单独使用还是嵌入混凝土梁内，都能有效地发挥作用。这些发现为自供电和自感应混凝土系统铺平了道路，利用摩擦电和压阻效应为智能民用基础设施和SHM应用中的传感器供电。
该成果以“Integrated triboelectric self-powering and piezoresistive self-sensing cementitious composites for intelligent civil infrastructure”发表在Nano Energy上。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110656
图文导读
图1. NCB填充水泥基传感器的制造程序。
图2. 自供能水泥基TENG的组件、配置和最终产品。
图3. 摩擦电自供电和压阻自感应测试的实验装置和示意图。
图4. 水泥基TENG的单电极模式和输出电压：(a)水泥基TENG中的摩擦起电机制示意图；(b)10×10×5mm3水泥基TENG的在不同负载频率下的电压；(c)20×20× 5mm3的水泥基TENG在不同负载频率下的电压；(d)40×40×5mm3水泥基TENG在不同负载频率下的电压。
图5. 40×40×5mm3的水泥基TENG在不同负载频率下输出的短路电流和开路电压：(a )-(d)加载频率分别位为1/2，1，2和4Hz时的短路电流；(e)-(f)加载频率分别为1/2，1，2和4Hz时的开路电压；(i)-(l)加载频率分别为1/ 2，1，2和4Hz时，不同的电阻下的电压，电流和功率密度。
图6.NCB填充水泥基传感器的压阻式应力传感性能：(a)不同压应力幅值下；(b)抵抗应力变化；(c) 在三个重复的应力循环下；(d)在不同的加载速率下；(e)无应力保持和5MPa的恒定应力保持；(f)埋设在混凝土梁上时，在不同大小的压应力下；(g)在不同的弯曲应力下，埋设在受拉区；(h)弯曲损伤传感性能。
图7. 水泥基TENG的力学、微观结构和充电性能：(a)立方体水泥基体的压缩应力-应变曲线；(b)水泥基板材表面微观形貌；(c)水泥基TENG为电容器充电的电路；(d)-(f)表面积为10×10、20×20、40×40 mm2的水泥基TENG在不同频率下的充电速率；(g)充电时间与负载频率之间的关系。
图8. PTFE 和水泥基摩擦电层之间的各种接触状态。
图9. NCB填充水泥基传感器在各种负载条件下的导电和压阻机制：(a)完整的水泥基传感器；(b)受压的水泥基传感器；(c)受拉的水泥基传感器；(d)水泥基传感器的三点弯曲试验。
结论
本研究首先开发了基于NCB填充胶凝材料的摩擦电自供电和压阻式自感应水泥基传感器。摩擦电测试是在完全固化的NCB增强薄水泥板和PTFE板上进行的。压阻测试是在带有嵌入式电极的单个水泥基传感器和带有嵌入式水泥基传感器的混凝土梁上进行的。下面列出了一些关键结论：
(1)完全固化水泥基材的摩擦电特性与其土木工程应用非常相似，促进了水泥基TENG在路面和结构中的潜在用途。电压输出与负载频率密切相关，随着频率的增加而呈增加的趋势。在4Hz的频率下，尺寸为40×40×5mm3的水泥基TENG可以产生高达30.5V的峰值交流电压。
(2)尺寸为40×40×5mm3水泥基TENG在4Hz的频率下短路电流和开路电压分别可以达到8.2μA和113V，能够在整流后的25秒内将10μF电容器充电至0.32V。同时，NCB填充水泥基复合材料的也表现出令人满意的力学性能和NCB分散性能。
(3)在压阻特性方面，NCB填充的水泥基传感器在各种加载条件下表现出一致和可靠的压阻响应。其同时检测压应力和拉应力的功能，以及在混凝土梁等结构构件中的表现，体现了其在结构健康监测和损伤检测中的实际应用潜力。
（4）由于水泥基和PTFE板的表面不平整，以及水泥基表面上的小突起和孔洞，较大的试件表现出更低的有效接触面积百分比。因此，有必要进一步研究水泥基TENG的具体尺寸，在实现最大限度发电的同时确保对其机械、耐用和其他性能的最小影响。
(5)NCB颗粒的运动及其相对位置取决于它们的加载条件和在结构单元内部的嵌入位置。在受压时，这些颗粒相互靠近，而在受拉时，它们相互分离，从而引起相应的电阻增大和减小。
信息来源：纳米发电机
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