TENG結(jié)構設計和表面電荷最大化機理研究.pdf

1、隨著科技及信息時代的高速發(fā)展，人們對能源的需求量越來越大，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滿足社會的可持續(xù)發(fā)展。太陽能發(fā)電，風力發(fā)電，水力發(fā)電等技術已廣為人們利用。近年來，基于摩擦起電效應和靜電感應相耦合的摩擦電納米發(fā)電機引起了人們的廣泛研究，它可以收集周圍環(huán)境中廢棄了的機械能將其轉(zhuǎn)化為電能來給小型電子設備供電，實現(xiàn)能量供給的小型化，實時化，以滿足人類的生產(chǎn)生活需要。目前，對摩擦電納米發(fā)

2、電機的研究主要集中在兩個方面：一是對電極結(jié)構的設計優(yōu)化；二是對摩擦材料的改性，其目的都是為了達到能量密度的最大化，轉(zhuǎn)化效率的最大化。本文分別從這兩個方面對納米發(fā)電機進行研究，以改善其輸出性能和探索摩擦材料電荷累積的機理，主要研究工作如下：
　　①首次設計了一種蜂窩狀三電極摩擦電納米發(fā)電機收集全空間的運動能量，三電極組周期性地排列于一平面或球面內(nèi)，由于每一個電極周圍都是與之不同的電極，其可收集平面任意方向的運動能量而不會有失效狀態(tài)。

3、同時，該器件依靠滑動工作模式和震動工作模式可獨立收集全空間的運動能量，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，球面滑動模式的最大輸出電流為0.55μA。該發(fā)電機可在80秒內(nèi)將一個100μF的商業(yè)電容器充電至2.1V。另外，足球狀的發(fā)電機可用作警報器監(jiān)測房屋橋梁的振動情況，此多電極納米發(fā)電機的設計將在未來能源收集方面具有廣泛應用。<

4、br>　?、谠O計了一個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)電機用來收集周圍環(huán)境中的機械能，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能量電路的重要組成部分。該摩擦-電磁納米發(fā)電機具有良好的穩(wěn)定性，折疊多次后輸出性能幾乎保持不變。本文系統(tǒng)討論了單個摩擦電發(fā)電機和電磁感應發(fā)電機的輸出性能，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）和4.04 mA，30

5、mV，15.8μW（電磁發(fā)電機）。摩擦發(fā)電機的阻抗較大可用作電流源，而電磁發(fā)電機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光源并且可用作自供能氣流傳感器探測呼吸頻率，其在醫(yī)療診斷方面具有潛在的應用。該摩擦-電磁納米發(fā)電機結(jié)構簡單，易于攜帶可廣泛應用于日常生活中，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）易于構成內(nèi)部微結(jié)構是一種探究摩擦電機理的最佳材料之一。本文通過填充銀納米顆粒并在內(nèi)部構

6、建中空結(jié)構形成微電容和可變微電容，系統(tǒng)研究了兩種復合膜基納米發(fā)電機的輸出特性，包括不同的銀納米顆粒填充量，不同孔洞率及孔洞尺寸，對可變微電容復合膜的介電常數(shù)，介電損耗和電容進行表征，可變微電容復合膜基（VMCs@PDMS）納米發(fā)電機的輸出分別是純PDMS和微電容復合膜（MCs@PDMS）基納米發(fā)電機輸出的4倍和1.6倍，輸出功率密度可達到6 W/m2，本文首次對PDMS填充導電納米顆粒并形成多孔結(jié)構的機理進行了研究。
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7、過簡單的旋涂技術使石墨烯片在PDMS中定向分布，制作了基于定向石墨烯復合膜的納米發(fā)電機，系統(tǒng)研究了基于不同石墨烯填充量及不同旋涂層復合膜的納米發(fā)電機的輸出性能?；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)電機的輸出性能進行對比，同時PDMS復合膜的電容，介電損耗，電導和電阻被表征分析，基于定向石墨烯片復合膜（AGS@PDMS）的納米發(fā)電機的輸出性能是基于純PDMS膜的納米發(fā)電機的3倍，當負載電阻為15MΩ時其輸出功率