基于聚二甲基硅氧烷改性的摩擦纳米发电机的研究

发布时间：2020-06-01 12:44

【摘要】：聚二甲基硅氧烷(PDMS)由于其本身柔韧性极好、透明度高、生物相容性好、摩擦电性能优异等诸多优点,是摩擦电纳米发电机负摩擦层的良好候选材料。PDMS基摩擦电纳米发电机拥有PDMS材料的各项优异性能,在移动电子设备领域有较好的应用前景。然而,作为一个发电供能器件而言,摩擦电纳米发电机单位面积或者单位体积的能量输出密度还不够大,从而严重限制了摩擦电纳米发电机的大规模实际应用。目前针对摩擦电材料优化改性方面的研究还有待深入,尤其绝大多数优化改性方法复杂,或成本高昂,或只适合特定摩擦电材料和特定的器件结构。因此,十分有必要对摩擦电纳米发电机的摩擦材料进行优化改性研究。本论文采用了表面粗糙化、掺杂化学改性和填充等方法对PDMS摩擦电材料进行优化;并在此基础上,综合了三种优化方法,从而大幅度地提升摩擦电纳米发电机的输出性能。采用简易砂纸模板对摩擦层材料表面进行粗糙化改性。通过蒸镀铜和旋涂PDMS的制备方法分别获得砂纸形貌的正摩擦层材料和砂纸互补形貌的负摩擦层材料。金相显微镜、扫描电子显微镜和原子力显微镜等形貌表征结果显示,采用10000目砂纸模板所制备的薄膜,表面微纳结构尺寸接近2.0μm。电学性能方面,未采用模板的器件开路电压和转移电荷量分别为35 V和15 nC,只用10000目砂纸旋涂PDMS后,电压和转移电荷量分别为48 V和19 nC,分别提高了37%和26%;只用10000目砂纸镀铜后,电压和转移电荷量分别为76 V和30 nC,即分别提高了117%和100%;而当采用10000目砂纸同时旋涂PDMS和镀铜后,电压和转移电荷量分别为200 V和76 nC,即分别提高471%和406%。不管是单面粗糙化处理,还是双面粗糙化处理,性能提升都十分明显。尤其是双面粗糙化处理的器件,当两个摩擦层材料采用相同目数的砂纸模板时,匹配良好的契合结构会使得摩擦过程中的实际接触面积大大增加,进而大幅度挺高器件输出性能。采用聚四氟乙烯对PDMS进行掺杂化学改性,通过引入电负性更高的基团使摩擦材料具有更高的摩擦电性能,进而提高摩擦过程中单位面积转移的电荷量。X射线衍射分析和X射线光电子能谱分析显示,掺入聚四氟乙烯将电负性更强的氟原子引入PDMS分子链中,其中当掺入质量分数10%后,开路电压和转移电荷量最大,分别为180 V和82 nC,相比于未掺的56 V和27 nC,分别提高了220%和203%。用导电炭黑和纳米铜颗粒对PDMS进行填充,提高薄膜电容。在10 g的PDMS中填充炭黑0.2 g时,开路电压和转移电荷量最大,分别为155 V和62 nC;在10g PDMS中填充0.3 g纳米铜颗粒时,开路电压和转移电荷量最大,分别为140 V和60 nC;两种颗粒的填充效果相当。填充导电颗粒会在薄膜中形成微型电容,相当于减小了PDMS薄膜的有效厚度,因而使得薄膜电容增大,器件性能提高。综合表面粗糙化、化学处理和导电颗粒填充这三种优化方法后,电压、电流和电荷的大小分别为350 V、6.5μA和130nC,器件性能提升显著,有较好的应用前景。
【图文】：

摩擦电,发电机,纳米,工作原理图

周期性的接触分离就使得摩擦电纳米发电机不断的对外供电。如图1-1。图 1-1 摩擦电纳米发电机的工作原理图[14]基于摩擦起电和静电感应，电压和电流这两个对发电机而言至关重要的电学性能参数，都与感应电荷量成正比，而通常感应电荷量与摩擦转移电荷量呈线性正相关。电流是由感应电荷的流动产生，是单位时间内通过导体任一横截面的电荷量，如式（1-1）；电压的大小是由电极之间的电荷量和摩擦发电机的电容结构决定，，是任意时刻电荷与电容的比值，如式（1-2）。I=dQ/dt (1-1)V=Q/C (1-2)ITOPETBTO NPs-PDMScomposite

曲线,理想态,摩擦电,最大输出功率

图 1-2 摩擦电纳米发电机理想态下最大输出功率的 V-Q 曲线推导曲线[15]能量转换效率就可以通过以下公式计算：o u t pp ue ctr y c l ed i s s i np pa et c r i yo c l eo u t pp ue ctr y c l emoutEEEEE (1-6) E
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM31;TB39

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