多孔聚二甲基硅氧烷薄膜的制备及摩擦发电性能研究

发布时间：2021-08-08 18:23

　　提出应用于高输出摩擦纳米发电机的多孔聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜快速制备技术。将去离子水均匀分散在PDMS预聚体中形成乳状液体,采用旋涂和快速热固化获得多孔PDMS薄膜,以其作为负摩擦层制备垂直接触-分离模式摩擦纳米发电机,研究去离子水混合比例对多孔PDMS薄膜形貌和摩擦纳米发电机输出性能的影响。实验表明,PDMS∶去离子水乳状液中去离子水的比例会显著影响薄膜形貌和摩擦纳米发电机电能输出。当水的质量分数从0增加到8%时,摩擦纳米发电机输出开路电压随去离子水比例的增大而提高。去离子水的质量分数为8%时,输出开路电压达到最大值110 V;当去离子水的质量分数大于10%时,摩擦纳米发电机输出开路电压随去离子水比例的增加而呈现下降趋势。 

【文章来源】：电子元件与材料. 2020,39(07)北大核心CSCD

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

摩擦纳米发电机制备过程示意图

图2描述了垂直接触-分离式摩擦纳米发电机的工作过程[12-13]。由于摩擦起电能力的差异,铜摩擦层容易失电子,而PDMS摩擦层容易得电子。当上下两个摩擦层在外力的作用下接触时,在接触面产生电荷转移,最终结果是两个摩擦层表面带上数量相等、极性相反的静电荷,如图2(Ⅰ)所示。当两摩擦层在外力作用下慢慢分离,将会在两带电的摩擦层之间形成电势差。由于静电感应,带负电荷的下表面将排斥其底部电极的电子,从而形成经过外部电路的电流,如图2(Ⅱ)。当两个摩擦层之间的距离达到最大时,系统处于静电平衡,如图2(Ⅲ)所示。当两个摩擦层再次靠近时,外电路流过与上述过程方向相反的电流,如图2(Ⅳ)所示。当两个摩擦层完全接触时,外电路不再有电流存在,系统重新达到原始的静电平衡状态。因此,在一个完整的接触-分离-接触周期中,将产生两个极性相反的脉冲电流。2.2 多孔PDMS薄膜形貌及器件输出性能

图3为所制备的多孔PDMS薄膜扫描电子显微镜(SEM)照片。PDMS薄膜中存在大量微米级孔洞。在乳状液中去离子水以液珠形式稳定地分散在PDMS溶液中,因此通过旋涂制备的薄膜中也存在大量的去离子水液珠。快速热固化过程中由于PDMS薄膜已经部分固化,因此液滴汽化后会在PDMS薄膜相应位置留下孔洞。同时在PDMS薄膜的表面会形成部分微米级开口,从而增加PDMS薄膜的表面粗糙度。上述结果表明通过在PDMS预聚体中分散去离子水液滴并结合快速热固化工艺,可以快速低成本地制备具有表面微结构的PDMS薄膜。多孔PDMS薄膜的形貌分析表明,在微小区域中孔洞尺寸和位置分布具有一定的随机性。这是由于去离子水液珠在乳状液中的分布随机性造成的。然而基于多孔PDMS薄膜的摩擦纳米发电机摩擦层往往具有厘米量级的尺寸,因此在宏观范围内多孔PDMS薄膜的孔洞尺寸和位置分布随机性不会对摩擦纳米发电机的电输出性能产生明显影响。如图4所示,对于具有相同制备工艺参数而批次不同的两个多孔PDMS薄膜,其摩擦发电性能几乎相同。这表明多孔PDMS薄膜制备过程中去离子水的比例相同时,可获得相同的电能输出。


本文编号：3330451