柔性复合压电纳米发电机的性能优化与应用研究

发布时间：2018-02-08 14:13

本文关键词： 纳米发电机柔性器件复合压电材料输出电流特性　出处：《北京科技大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：在电子技术快速发展的今天,各种便携式、可穿戴智能电子设备的出现改变了人们的生活水平和经济社会发展,同样也对能源的获取和利用提出了更高的要求,发展清洁、便携式、低成本的能源以保证电子器件持续工作具有重要意义。环境中的机械能无处不在,利用压电效应实现机电转换的纳米发电机可将这些能量收集起来,源源不断为电子器件提供能量。要使纳米发电机对复杂机械能有更好的匹配度和稳定性,从而更有效地收集环境中的机械能,需要实现压电纳米发电机的柔性化。将压电材料填充到柔性聚合物材料中是一种构建柔性压电纳米发电机的简单方法,具有制备简单、成本低廉、适合大规模生产的优势。本论文围绕柔性复合压电纳米发电机的设计与性能模拟、构建与性能优化以及纳米发电机输出电流特性,系统研究了复合压电纳米发电机的压电相与基体的力学、电学参数以及复合结构对复合压电纳米发电机性能的影响规律;设计并构筑了钒掺杂氧化锌(ZnO)/细菌纤维素复合、钛酸钡(BaTiO_3)纳米颗粒/聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合以及BaTiO_3纳米颗粒/细菌纤维素复合的三种柔性压电纳米发电机;测量了压电纳米发电机的最大峰值电流,实现了纳米发电机输出电流的精确表征,揭示了压电纳米发电机的电容以及测试过程所施加的力等因素对最大峰值电流的影响规律。利用有限元多物理场模拟软件COMSOL对复合压电纳米发电机性能进行了理论模拟。发现增大基体的杨氏模量和泊松比能够显著增强压电相的受力,从而提高复合压电纳米发电机性能。提高压电相的压电系数并降低其介电常数,可显著提高复合压电纳米发电机性能。基体介电常数处于较低范围(εr30)时,提高基体介电常数可使复合压电纳米发电机性能明显增强;基体介电常数处于较高范围(εr30)时,提高基体介电常数会降低性能降低。提高压电相在横向和垂直方向的分布密度,能显著提高复合压电性能;压电相分布密度不变的情况下,多个复合结构单元进行串联可显著提高复合压电纳米发电机性能。构建了钒掺杂ZnO/细菌纤维素复合柔性压电纳米发电机。细菌纤维素的三维网络结构和优良的亲水性可使反应前驱体渗入并原位反应,在其内部得到尺寸、分布均匀的钒掺杂ZnO微米球。钒掺杂ZnO具有铁电性,内部电偶极子可在外加高压条件下发生定向排列,因此无需对钒掺杂ZnO的晶体生长方向进行控制。钒掺杂ZnO/细菌纤维素复合柔性压电纳米发电机在循环弯曲应变下产生的输出电压为1.5 V,输出电流为80 nA/cm2,功率密度为60 nW/cm2,显著高于纯ZnO器件性能,这是钒掺杂使ZnO压电系数提高引起的。该发电机可用作自驱动翻页动作传感器,可识别书页的前后翻动作,响应时间为0.1s,产生的信号足以驱动LCD显示屏。发电机的输出电压和电流经过整流仍可达到0.9 V和40nA,可以在350s内将2.2μF的电容充至0.1 V。构建了BaTiO_3纳米颗粒/PDMS复合柔性压电纳米发电机。设计了插指电极结构器件,产生的输出电压和电流密度分别达到1.5 V和80nA/cm2。由于插指电极在结构上获得了较高的BaTiO_3纳米颗粒分布密度,同时利用了BaTiO_3的d33压电系数,显著高于三明治结构所利用的d31压电系数,因此比相同条件下的三明治结构器件性能高10倍。构建了 BaTiO_3纳米颗粒/细菌纤维素复合柔性压电纳米发电机,垂直压力下的输出电压和电流密度分别达到14 V和190 nA/cm2,弯曲条件下输出电压达到1.5 V。细菌纤维素的三维网络结构和亲水性显著提高了 BaTiO_3纳米颗粒分布密度,且细菌纤维素较高的杨氏模量使BaTiO_3纳米颗粒的受力增强,因此器件性能显著提高。通过控制测量电路通断将应变施加和电荷转移两个过程分离开来,实现了压电纳米发电机的最大峰值电流的测量,排除了应变速率对测试结果的影响。通过理论推导和实验修正得到了压电纳米发电机最大峰值电流的表达式,发现压电纳米发电机的内阻和测试电路的寄生电容会影响最大峰值电流。电容充放电时间常数可定量描述压电纳米发电机输出电流的时间依赖性,因此可作为输出电流特性的重要表征参数。研究了发电机电容、测试过程所施加力对压电纳米发电机最大峰值电流和时间常数的影响规律,发现增大压电纳米发电机的电容会降低最大峰值电流和输出功率,延长时间常数,并使发电机内阻降低。施加力的增大会提高最大峰值电流和输出功率,对时间常数和发电机内阻没有影响。
[Abstract]:In order to improve the performance of the composite piezoelectric nano - generator , it is necessary to improve the performance of the composite piezoelectric nano - generator , and to improve the performance of the composite piezoelectric nano - generator . In this paper , the influence of strain rate on the maximum peak current and the maximum peak current of the piezoelectric nano - generator is obtained . The maximum peak current and the output power of the piezoelectric nano - generator are improved by the theoretical derivation and experimental correction . The maximum peak current and output power are improved by the increase of the applied force , and the time constant and the internal resistance of the generator are not affected .

【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM31

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