电子通信技术的最新进展促进了面向个体的多功能传感器网络的发展，这些网络对于结构健康监测（SHM）至关重要[1]、[2]。SHM平台通过利用材料对物理现象的敏感性来检测结构裂纹，包括超声波[3]、振动[4]、声发射[5]、相对运动[6]和结构应变[7]。传统上，这些检测采用离线和手动方法进行，需要人员进入特定位置——这严重限制了损伤检测的范围、速度和响应性[8]、[9]、[10]。在这种情况下，压电材料因其固有的应变敏感性而被广泛用于在线SHM系统，特别是在飞机的结构部件中，如机翼、发动机和机身[11]、[12]、[13]。研究表明，将压电纳米发电机（PENGs）集成到飞机中可以在20赫兹的振动频率下产生1毫瓦的功率[14]。然而，尽管PENGs具有高敏感性，但它们依赖于连续或高频振动，而这在现实环境中并不总是存在的。此外，它们的性能受到材料选择的限制，通常需要晶体相，这限制了设计灵活性。这些限制阻碍了PENGs在机械能量不足环境中的广泛应用。
作为一种有前景的替代方案，摩擦电纳米发电机（TENGs）因其更广泛的材料选择和多样的激活模式（包括接触-分离、滑动和单电极配置[15]）而出现。这些特性使得TENGs特别适合在恶劣或动态条件下进行在线SHM，例如在雨水浸泡或高温环境中，传统传感器的性能会下降。材料工程可以定制TENGs以应对这些挑战[16]、[17]。例如，具有优异热稳定性、化学抗性和阻燃性的聚酰亚胺（PI）化合物有望实现优异的绝缘性能。PI基质中的芳香单元之间的强分子间作用力使其在连续暴露于232°C的温度下仍能保持这些性能，在短暂暴露于704°C的温度下也能保持[18]、[19]。此外，像聚偏二氟乙烯（PVDF）及其与三氟乙烯的共聚物P(VDF-TrFE)这样的氟化聚合物具有许多偶极子和低表面能，可以潜在地提高TENG的介电常数、摩擦电性能和疏水性[20]。这些材料已被用于设计防冰、防雾和防粘附的TENG表面。值得注意的是，将多氟乙烯（PTFE）集成到TENGs中使得开发出超轻量级的轴承成为可能，用于飞轮的健康监测，其中组件之间的相对运动会在独立的TENG模式下产生交流信号，作为诊断指标[21]。
除了材料选择外，TENGs的内部形态对其性能也起着关键作用。特别是，多孔TENGs因几个关键优势而受到越来越多的关注。首先，气凝胶、水凝胶、纤维垫和泡沫的高孔隙率显著降低了设备质量，这对于航空航天和移动系统来说是一个关键因素。例如，我们开发了一种由介电气凝胶制成的声音驱动TENG，其密度低至0.25克·立方厘米（g·cm-3，仅需40分贝（dB）的声压水平即可激活[22]。其次，多孔结构中的空气填充孔隙降低了热导率，保护了功能层免受热量影响。这使得TENG能够在车辆或飞机外部等热动态条件下保持性能。受益于多孔材料的高热绝缘性，Hu等人开发了一种气凝胶TENG，可用于振动和温度传感器，能够在接近1300°C的温度下至少持续工作10分钟[23]。第三，多孔结构引入了微观和纳米级的电荷捕获位点，增强了表面电荷保持能力并提高了摩擦电输出。它们的高表面积与体积比进一步促进了与对立介电层的接触。通过调节孔结构，已经证明在可变机械载荷下电流密度和表面电位可以翻倍，从而提供更稳定的信号生成[24]。
在这里，设计了一种由具有高热稳定性和疏水性的多孔材料组成的多层结构，作为用于外部表面的裂纹检测摩擦电纳米发电机（CD-TENG）基底，以在极端工作条件下识别裂纹（图1a）。该设备由纳米结构的PI/P(VDF-TrFE)气凝胶组成，提供热韧性和电荷调节能力，并结合了纤维状PVDF顶层以提高疏水性和电气性能。对含有氟聚合物（即PVDF和P(VDF-TrFE)）和PI的不同组合进行了系统研究，以优化气凝胶复合材料的性能。结果表明，在PI基质中加入6.0重量百分比的P(VDF-TrFE)限制了电荷从表面的迁移，从而在高温下提高了摩擦电性能。将纤维状PVDF集成到气凝胶复合材料中使界面变得疏水，并由于偶极子密度高而增加了摩擦电输出。为了模拟实际工作条件，使用从不同高度落下和不同基底倾斜角度的水滴评估了设备性能。一个从30厘米高度落下到70°倾斜表面的水滴产生了7.9伏特和0.79微安的电压输出。当水滴穿过表面裂纹时，与CD-TENG的相互作用产生了交流（AC）信号，实现了裂纹定位。在优化条件下——水滴高度15厘米、基底倾斜角度50°、负载电阻20兆欧姆——获得了33毫瓦·平方米（mW·m-2的峰值功率密度。这些结果表明，所提出的CD-TENG提供了一种自供电且轻量化的方法，适用于结构健康监测相关的高要求环境条件下的实时裂纹检测。
