摩擦压电复合纳米发电机的基础研究及应用

发布时间：2018-02-12 20:16

本文关键词： 摩擦起电效应压电效应机械振动 PVDF GaN PDMS 纳米发电机脉冲电沉积　出处：《北京科技大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：摩擦纳米发电机与压电纳米发电机因其各自独特的优势而被用于收集周围环境机械振动能并将其转换成电能,从而为解决当前能源危机问题提供了新的思路。β相聚偏氟乙烯(PVDF)、六方纤锌矿结构的氮化镓(GaN)以及四方相钛酸钡(BaTiO_3)因其各自良好的压电性能而被用于压电器件。PVDF、聚二甲基硅氧烷(PDMS)因其优异的摩擦电负性而被用于制备摩擦纳米发电机中。本论文通过将摩擦效应与压电效应集成到一种材料(PVDF、GaN/PDMS或BaTiO_3/PDMS复合材料)中,成功设计制备出摩擦压电复合纳米发电机,系统研究了实验条件对摩擦压电复合纳米发电机输出性能的影响,有效提高了复合纳米发电机的机械能收集转换效率。另外,采用摩擦纳米发电机作为电源,首次实现了自驱动电沉积制备氢氧化镍纳米结构。(1).以β相聚偏氟乙烯PVDF薄膜为压电材料,并以其表面为摩擦部分设计制备了 PVDF基摩擦压电复合纳米发电机。研究了极化条件对复合纳米发电机输出性能的影响。结果表明:正向极化处理与反向极化处理能够分别将复合纳米发电机的输出电压与电流密度平均值提高1.3 V和1.2 μA/cm2以及降低1.2 V和1.8 μA/cm2;另外,在PVDF表面旋涂一层PDMS能够有效提高复合纳米发电机的输出性能。表面旋涂PDMS后,复合纳米发电机的输出电压与电流密度平均值分别提高了 1.9 V和1.9 μA/cm2;研究了 PVDF厚度对PDMS/PVDF复合纳米发电机输出性能的影响,发现随着PVDF厚度的增加,复合纳米发电机的输出性能逐渐提高,当PVD厚度为40 μm时,复合纳米发电机的输出电压与电流密度平均值分别为8.4 V和7.7 μA/cm2。(2).采用化学气相沉积法成功制备出三维GaN纳米结构和一维锯齿形GaN纳米结构,并对其微观形貌及结构进行了扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射及拉曼光谱表征。以GaN颗粒与PDMS为原料制备出GaN/PDMS复合薄膜并以此组装成摩擦压电复合纳米发电机。研究了 GaN含量对复合纳米发电机的输出性能影响。研究发现:当GaN含量增加时,复合纳米发电机的输出电压与电流密度也随着增加;当GaN含量为9 wt%时,复合纳米发电机的输出电压与电流密度达到最大值,分别为9.5 V和10.9μA/cm2。当GaN含量继续增加时,复合纳米发电机的输出电压与电流密度开始下降,当GaN含量增加到20 wt%时,复合纳米发电机的输出电压与电流密度分别降到7.0 V和7.5 μA/cm2。(3).将压电材料钛酸钡(BaTiO_3)纳米颗粒与PDMS混合制备出了BTO/PDMS复合薄膜,并以此薄膜组装成摩擦压电复合纳米发电机。研究了极化条件对复合纳米发电机输出性能的影响。研究发现:当薄膜厚度为200μm,BTO含量为20 wt%时,正向极化与反向极化能够分别将复合纳米发电机基的输出电压提高4.3 V和降低3.4 V。探讨了 BTO含量对复合纳米发电机输出性能的影响。结果表明:复合纳米发电机的输出性能随着BTO含量的增加而增加,当BTO含量为20 wt%时达到最大;当BTO含量超过20 wt%后,复合纳米发电机输出性能开始下降。另外,对比了 100 μm厚度和200 μm厚度薄膜的复合纳米发电机的输出性能发现:当BTO含量为20 wt%时,200 μm厚度的复合薄膜纳米发电机经正向极化处理后的电压与电流密度输出平均值分别为13.5V和16.7μA/cm2;而相同条件下,100μm厚度的复合纳米发电机的电压与电流密度则分别提高到14.1 V和22.1 μA/cm2。最后,设计了三种测试模式(复合输出模式、摩擦输出模式及压电输出模式)将摩擦输出与压电输出进行了区分,三种模式下的输出电压平均值分别为3.3 V、2.2V及1.1 V。在这三种测试模式下对2.2 μF的电容器进行充电,结果发现:摩擦效应与压电效应同时贡献的复合输出电压能够在50 s内将电容器充满使其达到饱和电压 1.44 V。(4).设计制备了一种简单的接触分离式摩擦纳米发电机,并以此为脉冲电源电沉积制备了氢氧化镍纳米结构。通过对比不同频率机械振动下的摩擦发电输出电压与电流,选择1 Hz频率下的摩擦发电输出作为电沉积电源。在空白FTO导电玻璃、长有氧化锌纳米线阵列的FTO导电玻璃以及镀有金膜的硅基底上生长制备出了氢氧化镍纳米结构。对脉冲电沉积制备的氢氧化镍微观形貌、组成和电化学性能进行了扫描电子显微镜、X射线光电子能谱以及循环伏安测试表征。
[Abstract]:......
【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

【相似文献】