摩擦納米發(fā)電機的結構設計及其在自驅動系統(tǒng)中的應用.pdf

1、21世紀以來，基于移動互聯(lián)技術的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)“Internet of things（IoT）”成為新一代信息技術的重要組成部分和發(fā)展階段。物聯(lián)網(wǎng)是將互聯(lián)網(wǎng)和世界各地的任何東西（例如航運對象，貨物運輸商和人等）鏈接起來的技術驅動力，它需要廣泛分布的信息傳感設備，用于健康監(jiān)測，平安家居，智能交通，物流供應，環(huán)境保護，基礎設施監(jiān)測和安全等領域。驅動單個傳感器件所需要的能量是微小的，而驅動這些數(shù)以億計傳感器的能源供應是亟待解決的問題?？紤]到

2、傳統(tǒng)電池技術有限的壽命，高維護成本和環(huán)境問題，這不是物聯(lián)網(wǎng)供能的最佳解決方案。王中林院士在2006年和2012年分別發(fā)明基于壓電納米發(fā)電機和摩擦納米發(fā)電機首次提出通過從工作環(huán)境收集能量使設備自供電，并可持續(xù)地操作和運轉，從而實現(xiàn)自驅動系統(tǒng)。本論文基于摩擦納米發(fā)電技術，從自驅動系統(tǒng)的能源采集單元，存儲單元，電源管理系統(tǒng)，自驅動傳感器件，以及構建自驅動系統(tǒng)的探索等多個方面進行了系統(tǒng)的整體的開發(fā)和研究。我們堅信摩擦納米發(fā)電技術在實現(xiàn)自驅動化的

3、電子系統(tǒng)領域具有巨大的應用優(yōu)勢和前景。全文的具體研究要點如下：
　?、倌Σ良{米發(fā)電機作為自驅動系統(tǒng)中的能量源核心，從結構和材料兩方面對其的設計改性都是目前的重要研究開發(fā)方向。本論文中，我們從結構設計的角度出發(fā)，致力于拓展摩擦納米發(fā)電機的應用多樣性。首先，采用微米級別PTFE薄膜，設計了一種三明治口哨結構，實現(xiàn)對于氣流能量的收集。該氣流驅動的摩擦納米發(fā)電器件具有較高的輸出頻率特性，能夠實現(xiàn)近乎穩(wěn)定的電能輸出，將之巧妙的與染料敏化太陽

4、能電池結合，能夠實現(xiàn)對于光能和風能的同時采集。其次，通過設計一種棋盤狀的插指電極，采用PET薄膜和PTFE片作為摩擦對材料，實現(xiàn)了對于全方位平面運動的采集。PET薄膜的使用，避免了PTFE與電極的直接接觸摩擦，極大的延長了器件的耐久性能。通過將該器件應用在鼠標和鼠標墊構成的系統(tǒng)中，成功地實現(xiàn)了在不影響操作的情況下，對于鼠標操作的能量采集。最后，通過設計一種管狀螺旋結構的插指電極，采用PET薄膜作為保護膜和PTFE條作為摩擦材料，實現(xiàn)了轉

5、動和平面運動雙功能能量采集，并且該器件能夠在兩種工作模式下分別實現(xiàn)對于轉速和動量的自驅動探測。
　　②實際應用中，摩擦帶來的材料磨損和環(huán)境中的水汽等帶來的表面電荷屏蔽等問題一直是阻礙摩擦納米發(fā)電機實際應用的兩個重大問題，本論文中，我們從結構設計的角度輸出，以解決磨損和防水問題。首先，設計了一種管狀聯(lián)動結構，通過滾動摩擦補充非接觸自由摩擦層模式中摩擦層的表面電荷，實現(xiàn)高性能的超耐久摩擦納米發(fā)電機。其次，環(huán)境中的粉塵，水汽等會對摩擦納

6、米發(fā)電機產(chǎn)生致命性的影響，通過磁鐵對非接觸吸引作用，設計了一加一大于二的雜化發(fā)電機，其全封裝式結構實現(xiàn)了摩擦納米發(fā)電機在高濕度/水下等極端惡劣環(huán)境中工作的可能。
　　③摩擦起電效應不僅僅在固體與固體之間，固液界面仍然存在摩擦電效應。本論文中，采用PTFE乳液處理PE管的內表面形成疏水摩擦層，利用固-液界面的摩擦電效應實現(xiàn)了液滴和氣泡的自驅動微流傳感器件。在該傳感器中，我們詳細地分析了傳感機理，測量了傳感器的參數(shù)特性。通過不同的毛細

7、管的使用，能夠有效地實現(xiàn)對于器件探測靈敏度和探測范圍等的調節(jié)。實驗中，該傳感器被展示用于醫(yī)療的輸液過程的監(jiān)控和工業(yè)生產(chǎn)過程中微氣流的探測和控制。
　　④在自驅動系統(tǒng)中，能量采集單元和能量儲存單元集成在一起以實現(xiàn)電能的同時轉化和儲存功能的器件被稱為自充電供能單元。本論文中，首先，采用硅橡膠和Ag納米線制備了一種超柔性可拉伸的單電極式摩擦納米發(fā)電機。采用防水砂紙和碳粉材料制備了一種可拉伸的剪紙超級電容器。將二者通過硅橡膠封裝在一個模塊

8、內實現(xiàn)了一種可拉伸的全封裝防水自充電供能包。其次，采用紙作為摩擦納米發(fā)電機的基底材料，利用剪紙技術設計制備了一種嵌套式的菱形結構納米發(fā)電機，能夠通過嵌套的數(shù)量在同樣的體積空間內成倍的提升其電荷輸出性能。得益于紙基的輕質性，該納米發(fā)電機具有比傳統(tǒng)亞克力基納米發(fā)電機近15倍的比電荷輸出特性。結合同樣紙基的超級電容器，實現(xiàn)了超便攜式的全紙基自充電供能單元。
　　⑤由于摩擦納米發(fā)電機的電容式工作輸出特性，該發(fā)電機具有高電壓，小電流和高輸出

9、阻抗等特性。因此使用電源管理單元來降低其電壓，提升其電流能夠極大地提升在使用中摩擦納米發(fā)電機的能量轉化效率。本論文中，我們在摩擦納米發(fā)電機的周期性工作過程中，設計了一種通過發(fā)電機自身機械運動對一組電容器實現(xiàn)在串聯(lián)狀態(tài)下充電，在切換至并聯(lián)狀態(tài)下輸出的沒有包含線圈感應器件的電源管理單元。該電源管理設計對于低頻能量狀態(tài)下工作的納米發(fā)電機具有較高能量轉化效率和高度集成化等優(yōu)點。
　?、轈u2+離子作為工業(yè)廢水中的主要重金屬離子，對于人體和