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文檔簡(jiǎn)介
1、隨著人們對(duì)納米材料及納米技術(shù)研究的不斷深入,近年來(lái)納米器件的相關(guān)研究取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,納米器件的應(yīng)用已涵蓋了機(jī)械、電子、能源、環(huán)境、生物、醫(yī)藥及信息安全等諸多領(lǐng)域。其中,納米氧化鋅(ZnO)材料作為一種兼具半導(dǎo)體性能和壓電性能的功能材料,具有良好的熱穩(wěn)定性和生物相容性,被廣泛用于制備各種功能器件,在光電、壓電、熱電、鐵電等各個(gè)領(lǐng)域有著重要的研究?jī)r(jià)值,目前已成為學(xué)術(shù)界研究的一個(gè)焦點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,移動(dòng)便攜式電子設(shè)備成為當(dāng)今社
2、會(huì)的一大趨勢(shì),無(wú)論是在人際交流、個(gè)人健康監(jiān)測(cè)亦或者是環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面,移動(dòng)便攜式電子設(shè)備都是不可或缺的裝置。然而供能問(wèn)題成為制約這些可穿戴式電子設(shè)備發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題。基于納米ZnO材料的新型能量采集器在可穿戴電子設(shè)備、柔性顯示、電子皮膚及自驅(qū)動(dòng)傳感等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
本論文圍繞ZnO納米材料制備及其在能量收集器、摩擦發(fā)電機(jī)和自驅(qū)動(dòng)觸覺(jué)傳感器的應(yīng)用與傳感機(jī)理等相關(guān)問(wèn)題,開(kāi)展了一系列研究工作,主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)部分:
3、r> ?。ㄒ唬┘{米氧化鋅在振動(dòng)式壓電能量收集器中的應(yīng)用及其機(jī)理研究
本文提出了一種新型的音叉形結(jié)構(gòu)的懸臂梁式振動(dòng)型壓電能量收集器,并通過(guò)COMSOL軟件對(duì)這類(lèi)懸臂梁式振動(dòng)型壓電能量收集器的性能進(jìn)行了有限元模擬分析,探究了不同懸臂梁形狀及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)輸出性能的影響。在此基礎(chǔ)上,以聚酰亞胺膜(Kapton膜)為基底,采用低溫水熱法合成了氧化鋅納米棒作為功能層,完成了音叉形結(jié)構(gòu)的懸臂梁式振動(dòng)型壓電能量收集器的實(shí)物制備及其性能測(cè)試。測(cè)試
4、結(jié)果表明,當(dāng)振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率為13Hz的時(shí)候,音叉形結(jié)構(gòu)的懸臂梁式振動(dòng)型壓電能量收集器的輸出電壓達(dá)到最大約160mV,輸出電流達(dá)到最大約11nA。通過(guò)阻抗測(cè)試實(shí)驗(yàn),表明所設(shè)計(jì)制作的音叉形能量收集器的最佳匹配阻抗約為9MΩ。通過(guò)該音叉結(jié)構(gòu)的使用,能夠有效降低懸臂梁的諧振頻率,從而使得懸臂梁型振動(dòng)式能量收集器能夠在更低頻率下工作。
?。ǘ┘{米氧化鋅在摩擦發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用及其機(jī)理研究
本文提出了一種新型的以氧化鋅微球作為摩擦
5、發(fā)電機(jī)功能層的表面修飾方法,進(jìn)而改善摩擦發(fā)電機(jī)的輸出性能。本部分首先從理論模擬出發(fā),采用平板式電容的工作原理,模擬研究材料表面的平膜、方柱、圓柱、金字塔等不同表面微結(jié)構(gòu)修飾對(duì)摩擦發(fā)電機(jī)性能的物理影響機(jī)制。結(jié)果表明,金字塔結(jié)構(gòu)對(duì)表面進(jìn)行微修飾之后器件具有最優(yōu)的輸出性能。在理論設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,通過(guò)微加工手段制備了具有金字塔微結(jié)構(gòu)修飾的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜,應(yīng)用水熱法在金字塔的頂端合成了氧化鋅微球,實(shí)現(xiàn)了對(duì)薄膜的二次修飾,提高了三明治式
6、摩擦發(fā)電機(jī)的電能輸出。其次,通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段分析測(cè)試了所制備發(fā)電機(jī)的電學(xué)性能。結(jié)果表明,輸出電壓和電流均隨工作頻率的增加逐漸增大;在100Hz時(shí),其開(kāi)路電壓高達(dá)57V,短路電流面密度達(dá)到59mA/m2;在2MΩ負(fù)載條件下,納米摩擦發(fā)電機(jī)最大瞬時(shí)功率密度為1.1W/m2,點(diǎn)亮了30顆商用LED。穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)顯示所制作的發(fā)電機(jī)在經(jīng)過(guò)10萬(wàn)個(gè)循環(huán)之后,其輸出仍維持在57V左右,展現(xiàn)了較好的穩(wěn)定性;具有氧化鋅微球修飾的納米摩擦發(fā)電機(jī)的電學(xué)輸出性能約為
7、無(wú)氧化鋅微球修飾的2.3倍。因此,在柔性PDMS金字塔塔尖生長(zhǎng)的納米氧化鋅的二次表面結(jié)構(gòu)修飾對(duì)提高納米摩擦發(fā)電機(jī)的電學(xué)性能有著明顯效果。
?。ㄈ┭趸\納米材料在自驅(qū)動(dòng)觸覺(jué)傳感中的應(yīng)用及其機(jī)理研究
本文開(kāi)展了基于納米氧化鋅棒的陣列型柔性觸覺(jué)傳感器的材料制備、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和器件工藝研究。結(jié)合壓電材料獨(dú)有的壓電理論,利用多物理場(chǎng)耦合軟件及有限元算法,探究了氧化鋅納米棒直徑、長(zhǎng)度、分布密度與壓電電學(xué)性能的物理關(guān)聯(lián)機(jī)制;在薄膜基底
8、上成功制備了陣列型柔性觸覺(jué)傳感器;并對(duì)觸覺(jué)傳感器陣列的壓力響應(yīng)和彎曲形變響應(yīng)進(jìn)行了深入研究;結(jié)果表明,在100Pa-1MPa壓力范圍內(nèi),傳感器輸出電壓隨外力作用呈較好的線性關(guān)系;當(dāng)外力為1MPa時(shí),其電壓輸出約為0.32V;在0-20mm壓縮范圍內(nèi),傳感器輸出電勢(shì)隨壓縮距離的增大呈先增大再減小的關(guān)系;當(dāng)壓縮距離為15mm時(shí),傳感器陣列中心單元具有最大的電壓輸出約為0.26V;在此基礎(chǔ)上,通過(guò)LabVIEW軟件系統(tǒng)及DAQ數(shù)據(jù)采集卡搭建了
9、傳感器的數(shù)據(jù)采集及顯示系統(tǒng),揭示了陣列型柔性觸覺(jué)傳感器表現(xiàn)出較好的電子皮膚性能,可以用于機(jī)器人的手臂或人體假肢感測(cè)外界觸摸動(dòng)作及壓力;并能夠在軟件前面板中以LED燈的熄滅以及色圖的形式顯示觸摸壓力的有無(wú)、位置及大小,結(jié)合多通道數(shù)據(jù)采集技術(shù)及傳感網(wǎng)絡(luò)反饋控制技術(shù),可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控顯示及壓力的自驅(qū)動(dòng)傳感等功能。所研制的傳感陣列,能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)源自驅(qū)動(dòng)柔性觸覺(jué)傳感,具有重要的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用空間。
本文采用基于壓電方程的多物理場(chǎng)耦合有
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