基于PDMS的柔性摩擦納米發(fā)電機的研究.pdf

1、在人們的日常生活中，由于不同材質(zhì)相互摩擦而產(chǎn)生的靜電常常困擾著人們，因此人們都會采取各種方法來避免靜電的產(chǎn)生。然而，美國佐治亞理工學院的王中林教授小組利用摩擦起電效應和靜電平衡的耦合作用，發(fā)明了摩擦納米發(fā)電機，這種發(fā)電機能夠?qū)⒐I(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ钪挟a(chǎn)生的機械能、風能、水波能等能量轉(zhuǎn)換成電能。目前，隨著科學技術(shù)的不斷進步，全球能源體系面臨著巨大的危機和挑戰(zhàn)。在這個時代背景下，摩擦納米發(fā)電機的發(fā)明具有時代性的意義。在摩擦納米發(fā)電機的內(nèi)部電

2、路結(jié)構(gòu)中，基于摩擦起電效應和靜電平衡的耦合作用，電性不同的兩種摩擦材料之間會產(chǎn)生電荷感應而使二者之間帶有等量異號的電量，從而在兩種材料之間形成電勢差；而發(fā)電機外部電路中的電子在電勢差的作用下在電極間流動。由于這種發(fā)電機是一種非常有前景的能量收集器件，可以收集周圍環(huán)境中的多種能量并同時轉(zhuǎn)換為電能，可以給無線可移動的電子器件以及小型設備提供能量。鑒于納米發(fā)電機在自驅(qū)動領域的潛在應用前景，系統(tǒng)研究納米發(fā)電機的工作機理和提高其輸出性能是目前研究

3、納米發(fā)電機的首要任務，也是具有挑戰(zhàn)性的工作。在本論文中，通過實驗制備了銀(Ag)納米線，鈮酸鈉(NaNbO3)納米線以及鈮酸鈉納米塊，以基于壓電效應、熱釋電效應、摩擦起電以及靜電感應的納米發(fā)電機，我們設計了以PDMS為基底的不同結(jié)構(gòu)，不同工作原理的柔性納米發(fā)電機。主要的研究要點如下：
　?、倩贏g納米線為電極的單電極摩擦納米發(fā)電機：
　　以乙二醇做還原劑，同時使用硝酸銀以及PVP作為合成原料，采用多元醇法合成形貌均勻的、長

4、度大約在15μm的銀(Ag)納米線，并對其進行SEM以及XRD表征。同時，以氫氧化鈉(NaOH)和氧化鈮(Nb2O5)為原料，采用水熱法合成形貌均勻且長度在15μm左右的鈮酸鈉(NaNbO3)納米線，并對其進行SEM以及XRD表征。將合成的Ag納米線作為電極，制備成PDMS/Ag/PDMS結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機，并通過在Ag納米線中摻入一定量的NaNbO3納米線，與PDMS/Ag/PDMS結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機做對比。利用直線電機、數(shù)據(jù)采集

5、卡，SR570等組成的測試系統(tǒng)，測試制備的柔性納米發(fā)電機。實驗結(jié)果表明，薄膜厚度為1 mm，尺寸大小為2 cm×3 cm的柔性器件，其最大電流輸出為15.5μA，最大輸出電壓為330 V，最大輸出功率為1.5 mW(0.25 mW/cm2)。最后，將基于Ag納米線做為電極的柔性納米發(fā)電機應用在角度傳感器中。
　?、诨贜aNbO3納米線摻雜的PDMS復合膜的柔性納米發(fā)電機
　　以NaOH和Nb2O5為原料，采用水熱法合成形貌

6、均勻的NaNbO3納米塊，并對其進行SEM以及XRD表征。將合成的NaNbO3納米塊與PDMS混合，通過刮膜法制備了不同質(zhì)量比的PDMS&NaNbO3復合膜，并結(jié)合銅箔電極，組裝出柔性透明的摩擦納米發(fā)電機。對比分析了由不同質(zhì)量比PDMS&NaNbO3復合膜組裝的摩擦發(fā)電機的輸出，發(fā)現(xiàn)NaNbO3的最佳摻雜為7％，器件的最大輸出電流為15μA(尺寸為2 cm×2 cm)，最大輸出電壓為600 V，最大輸出功率為2 mW。同時，對器件的輸出