TENG結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和表面電荷最大化機(jī)理研究.pdf

1、隨著科技及信息時(shí)代的高速發(fā)展，人們對(duì)能源的需求量越來(lái)越大，而煤，石油，天然氣等一次能源逐漸面臨枯竭，因此，人們迫切地希望尋求新型可再生能源來(lái)滿足社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。太陽(yáng)能發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電，水力發(fā)電等技術(shù)已廣為人們利用。近年來(lái)，基于摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)相耦合的摩擦電納米發(fā)電機(jī)引起了人們的廣泛研究，它可以收集周?chē)h(huán)境中廢棄了的機(jī)械能將其轉(zhuǎn)化為電能來(lái)給小型電子設(shè)備供電，實(shí)現(xiàn)能量供給的小型化，實(shí)時(shí)化，以滿足人類(lèi)的生產(chǎn)生活需要。目前，對(duì)摩擦電納米發(fā)

2、電機(jī)的研究主要集中在兩個(gè)方面：一是對(duì)電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化；二是對(duì)摩擦材料的改性，其目的都是為了達(dá)到能量密度的最大化，轉(zhuǎn)化效率的最大化。本文分別從這兩個(gè)方面對(duì)納米發(fā)電機(jī)進(jìn)行研究，以改善其輸出性能和探索摩擦材料電荷累積的機(jī)理，主要研究工作如下：
　?、偈状卧O(shè)計(jì)了一種蜂窩狀三電極摩擦電納米發(fā)電機(jī)收集全空間的運(yùn)動(dòng)能量，三電極組周期性地排列于一平面或球面內(nèi)，由于每一個(gè)電極周?chē)际桥c之不同的電極，其可收集平面任意方向的運(yùn)動(dòng)能量而不會(huì)有失效狀態(tài)。

3、同時(shí)，該器件依靠滑動(dòng)工作模式和震動(dòng)工作模式可獨(dú)立收集全空間的運(yùn)動(dòng)能量，而不需要與大地連接，極大地方便了人們的使用。其平面滑動(dòng)模式的最大輸出電流密度，電壓和功率密度分別為16.4μA/m2，413 V，2.1 W/m2，球面滑動(dòng)模式的最大輸出電流為0.55μA。該發(fā)電機(jī)可在80秒內(nèi)將一個(gè)100μF的商業(yè)電容器充電至2.1V。另外，足球狀的發(fā)電機(jī)可用作警報(bào)器監(jiān)測(cè)房屋橋梁的振動(dòng)情況，此多電極納米發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)將在未來(lái)能源收集方面具有廣泛應(yīng)用。<

4、br>　?、谠O(shè)計(jì)了一個(gè)基于兩種聚合物材料，鋁箔電極和銅線圈的可折疊便攜式摩擦-電磁納米發(fā)電機(jī)用來(lái)收集周?chē)h(huán)境中的機(jī)械能，銅線圈發(fā)揮雙重作用，既可用作彈簧提供摩擦材料接觸分離還是電磁感應(yīng)能量電路的重要組成部分。該摩擦-電磁納米發(fā)電機(jī)具有良好的穩(wěn)定性，折疊多次后輸出性能幾乎保持不變。本文系統(tǒng)討論了單個(gè)摩擦電發(fā)電機(jī)和電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)的輸出性能，最大輸出電流，電壓和功率分別是32.2μA，500 V，2 mW（摩擦發(fā)電機(jī)）和4.04 mA，30

5、mV，15.8μW（電磁發(fā)電機(jī)）。摩擦發(fā)電機(jī)的阻抗較大可用作電流源，而電磁發(fā)電機(jī)的阻抗較小可用作電壓源。若將其集成于衣服或背包上可作為移動(dòng)光源并且可用作自供能氣流傳感器探測(cè)呼吸頻率，其在醫(yī)療診斷方面具有潛在的應(yīng)用。該摩擦-電磁納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于攜帶可廣泛應(yīng)用于日常生活中，收集環(huán)境中的能量為小型電子器件供電。
　?、劬鄱谆柩跬椋≒DMS）易于構(gòu)成內(nèi)部微結(jié)構(gòu)是一種探究摩擦電機(jī)理的最佳材料之一。本文通過(guò)填充銀納米顆粒并在內(nèi)部構(gòu)

6、建中空結(jié)構(gòu)形成微電容和可變微電容，系統(tǒng)研究了兩種復(fù)合膜基納米發(fā)電機(jī)的輸出特性，包括不同的銀納米顆粒填充量，不同孔洞率及孔洞尺寸，對(duì)可變微電容復(fù)合膜的介電常數(shù)，介電損耗和電容進(jìn)行表征，可變微電容復(fù)合膜基（VMCs@PDMS）納米發(fā)電機(jī)的輸出分別是純PDMS和微電容復(fù)合膜（MCs@PDMS）基納米發(fā)電機(jī)輸出的4倍和1.6倍，輸出功率密度可達(dá)到6 W/m2，本文首次對(duì)PDMS填充導(dǎo)電納米顆粒并形成多孔結(jié)構(gòu)的機(jī)理進(jìn)行了研究。
　?、鼙疚耐?/p>

7、過(guò)簡(jiǎn)單的旋涂技術(shù)使石墨烯片在PDMS中定向分布，制作了基于定向石墨烯復(fù)合膜的納米發(fā)電機(jī)，系統(tǒng)研究了基于不同石墨烯填充量及不同旋涂層復(fù)合膜的納米發(fā)電機(jī)的輸出性能?；诙ㄏ蚴┢c非定向石墨烯片及不同尺寸的石墨顆粒薄膜的納米發(fā)電機(jī)的輸出性能進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)PDMS復(fù)合膜的電容，介電損耗，電導(dǎo)和電阻被表征分析，基于定向石墨烯片復(fù)合膜（AGS@PDMS）的納米發(fā)電機(jī)的輸出性能是基于純PDMS膜的納米發(fā)電機(jī)的3倍，當(dāng)負(fù)載電阻為15MΩ時(shí)其輸出功率