大连海事大学研究生在声波能量收集领域取得重要进展

来源：中国高校之窗

近日，大连海事大学轮机工程学院2018级硕士研究生赵洪发在徐敏义教授与佐治亚理工学院王中林院士的指导下，在声波能量收集领域取得重要进展，提出了一种基于摩擦纳米发电机的声能高效收集新方法。研究成果发表在能源材料领域顶级期刊Advanced Energy Materials (影响因子24.88)上，题为“Dual-tube Helmholtz resonator-based triboelectric nanogenerator for highly efficient harvesting of acoustic energy”。赵洪发、肖秀为论文共同第一作者，徐敏义教授与王中林院士为共同通讯作者。

这种方法改变了传统的声学结构，并使用了新颖的声学结构来提高声能收集的效果。摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator，TENG）可以有效地收集环境振动能量并将其转换为电能，是新能源发展的一个里程碑，通过使用柔性介电材料，TENG对外部扰动非常敏感。该装置由改进的亥姆霍兹共振腔，具有均匀分布声孔的铝膜和具有导电油墨印刷电极的FEP（聚全氟乙丙烯共聚物）膜组成。

声波发电场景与摩擦纳米发电机结构示意图

随着声波的传播，经极化的FEP膜随交变声压与铝膜发生接触分离运动，导致膜表面电场发生变化，从而产生位移电流。此研究将摩擦电纳米发电机理论与声学传播机理相结合，解释了声学结构，声波力学条件和薄膜张力对能量收集器的影响，为声波能量收集领域能量收集器提高输出性能和拓宽响应频带提供了理论指导。提出的新型摩擦纳米发电机在世界同领域具有最好的声能收集效果。研究工作为实现声波能量高效收集开拓了新方向，亦在物联网节点能量供给、自驱动声波传感等领域具有潜在应用价值。

声波发电点亮LED灯

论文第一作者赵洪发是轮机工程学院2014级本科生，本科期间他就对科研极具兴趣，积极参与科创竞赛，获得大创国家级项目三项，数学建模国赛一等奖，美赛二等奖，美赛新媒体赛三等奖，在《军民两用技术与产品》和《工程技术》发表论文两篇。参与水下机器人研究时，他发现电磁波在水下衰减极快，而声在水下则具有更好的应用潜力，因此他对声波能量收集与传感产生了兴趣。他独立研究并完成了面向水下机器人的水下超声波通信实验，但声波能量收集问题未得到解决，这一直使他困扰。

2018年他获得保研资格，加入徐敏义教授团队攻读硕士学位。在团队老师的指导下，他尝试将摩擦纳米发电机应用于声波能量收集。该项课题研究具有多项难点，声波的力学作用，声学结构对声波的共振作用，薄膜颤振规律，应力刚化效应等问题，研究难度极大，可参考文献很少，并且声波能量收集领域缺少相应的成熟理论与有效的技术手段。他对此进行了深入研究，学习了摩擦纳米发电机与声学深层理论，做了上百次实验，更换了几十种材料，进行了数百次模拟仿真，推算了百余次数学公式，经历了几十次论文大改和无数次小改。他也曾因复杂的问题而崩溃，他也想过放弃，但海大人的坚定品质让他坚持了下来。

此外，他还担任轮机工程学院2018级研究生党支部书记。他严于律己，力求做出典范，并且不断号召同学做勇攀科研高峰的探索者与奉献者。他表示，近年来，学校为致力于从事科研工作的师生提供了非常优越的条件，涌现出未越来越多的科研人才。自己的成果离不开学校的科研平台，团队的正确研究方向，老师的辛勤指导以及自身的不懈努力。

他说，这个团队还有很多像他一样热爱科研的同学。在团队老师的指导下，他们将纳米发电机技术应用于船舶与海洋工程领域，研究内容涵盖海洋能、船舶振动能、声波能量收集与利用，以及构建面向海洋智能装备的自驱动传感器、水下机器人等，取得了许多优秀成果。2019年团队发表高水平SCI论文8篇，其中影响因子10以上的论文5篇，总影响因子过百。今后他与同学将更加努力，争取做出更多高水平成果，为学校科研事业发展贡献自己的微薄之力。

问渠那得清如许，为有源头活水来。这个源头活水，就是大连海事大学坚持以“立德树人”为办学之本，始终赓续科技创新的文脉、弘扬同舟共济、艰苦卓绝、科学航海、爱国为根的办学传统，鼓励师生勇攀科学高峰、经世致用服务社会。在守正中创新，在创新中守正，在科研育人的实践中，学校全面梳理科研育人工作体系，积极挖掘科研育人内涵，不断健全科研育人组织管理体系，着力培养担当民族复兴大任的时代新人，谱写了践行科研育人全面促进“三全育人”的时代新篇章。