用于TENG的固液双相摩擦层制备及发电性能模拟研究
发布时间：2021-01-23 04:51
固液双相摩擦纳米发电机（TENG）是一种新型的能源采集器件,相比于传统的固相摩擦纳米发电机,固液双相的耦合能够极大地改善TENG的输出特性、使用寿命、摩擦特性、磨损与老化性能。本课题采用聚四氟乙烯（PTFE）作为固态摩擦层表面摩擦材料,用静电纺丝PCL作为固态摩擦层结构材料,采用共晶镓铟液态合金作为液态摩擦层材料,首先通过去离子水煮沸、氯化钠溶液煮沸的方式对镓铟液态合金进行表面处理,观察对比前后液态合金表面形貌,分析处理过程中溶液状态对反应过程的影响,然后根据第一性原理对固液双相摩擦过程进行分析,并利用COMSOL Multiphysics软件对器件工作过程进行有限元模拟分析。未经处理的共晶镓铟合金表面包裹着Ga2O3,通过去离子水煮沸和氯化钠溶液煮沸两种表面处理方式,改变液态金属表面氧化物和形貌。在一定时间内通过去离子水或Na Cl溶液煮沸会在表面生成白色棒状晶体,在用去离子水煮沸处理时,镓铟合金表面会产生胞状Ga OOH团簇;在用Na Cl溶液煮沸时,增加Na Cl浓度,Ga OOH晶体形貌会由棒状结团为胞状进而转变为规则的长方体正方体状。另外,在表面处理过程中,溶液沸腾状态等反应...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
纳米发电机的工作原理：随着接触周期的增加，输出电流也随之增加[19]
醇觳馊?何带电的物体。（4）独立层模式：在自然界中，运动物体由于和空气或其他物体的接触，通常都会带电，就像我们的鞋子在地板上走路也会带电。因为材料表面的电荷密度会达到饱和，而且这种静电荷会在表面保留至少几小时，所以在这段时间并不需要持续的接触和摩擦。如果在介电层的背面分别镀两个不相连的对称电极，电极的大小及其间距与移动物体的尺寸在同一量级，那么这个带电物体在两个电极之间的往复运动会使两个电极之间产生电势差的变化，进而驱动电子通过外电路负载在两个电极之间来回流动，以平衡电势差的变化（图1-2（d））。电子在这对电极之间的往复运动可以形成功率输出。与上述单极模式相比，该模式不存在屏蔽效应，静电诱导的电子转移可以最有效地在独立层上达到相同数量的摩擦电荷。因此，当作为一个能量收集，这种模式比单个电极模式是更有效的[25]。图1-2摩擦纳米发电机的四种工作模式[25]a)垂直接触-分离模式b)水平滑动模式c)单电极模式d)独立层模式1.2.3固液双相TENG的研究现状传统TENG都是基于固体材料，所以在小尺度，尤其是在纳米尺度上，接触的有效性在很大程度上将受到两表面的粗糙度和两者之间匹配程度的影响。现阶段TENG的电荷密度大约为100μC/m2。同时，固体之间的摩擦将导致热量的生成与耗散。而这两点因素极大地限制了TENG效率的提高[26]。Wang等人制作了一种新型的液态金属基摩擦纳米发电机（LM-TENG）[26]。图1.3是该LM-TENG的示意图。由图1-3（a）可知，该LM-TENG由两部分组成，一部分是由摩擦材料和感应电极组成的薄片，另一部分是液态金属。图1.3（b）
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-6-描述了LM-PENG每一步的工作原理。其工作原理可理解为摩擦起电与静电感应的结果。当薄片部分浸入液态金属中时，摩擦材料开始与液态金属接触。如图1-3（b-i）所示，由于其吸电子能力不同，电子将从液态金属注入摩擦层的表面，使摩擦层的表面带净负电荷，而液态金属的界面产生净正电荷。当薄片从液态金属中移出时，界面的摩擦电荷产生分离，将使液态金属的电势高于感应电极；这样感应电极中的电子将通过外部负载流向液态金属，从而形成一个反向电流，如图1-3（b-ii）所示。在此过程中，电子持续流动直到薄片被完全移出，如图1-3（b-iii）所示。此时，感应电极与液态金属间的感应电势差和转移电荷量都达到最大值。当薄片又移回液态金属时，电势差将随着薄片润湿区域的增加而下降。所以，电子将沿相反的方向从液态金属流回感应电极，如图1-3（b-iiii）所示。因此整个过程将产生交流脉冲输出。在分离速度为0.25m/s下操作，接触面积为15cm2的LM-TENG可以产生679V的电压和9μA的电流。更重要的是，其输出电荷密度达430μC/m2，超过了固-固接触型TENG的4倍，且其功率密度达6.7W/m2和133Kw/m3。由于形状适应性的优点，具有20层构造的LM-TENG的输出电流高达130μA。此外，液态金属基TENG的能量转化效率达70.6%，且LM-TENG适用于振动能量的收集。振幅为1.2mm、频率为10Hz的LM-TENG的输出电压为145V，输出电流为5.8μA，且在65s内将100μF的电容器充电至1V。图1-3液态金属基摩擦纳米发电机的工作原理。(a)LM-TENG的结构示意图(b)LM-TENG每一步的工作原理示意图[26]Yang等人报道了一种经过结构设计后具有超拉伸性的液态金属摩擦纳米发电机（LM-TENG)[27]。该LM-TENG是由硅橡胶层作为摩擦层和封装材料，液态金属Gal
本文编号：2994587
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
纳米发电机的工作原理：随着接触周期的增加，输出电流也随之增加[19]
醇觳馊?何带电的物体。（4）独立层模式：在自然界中，运动物体由于和空气或其他物体的接触，通常都会带电，就像我们的鞋子在地板上走路也会带电。因为材料表面的电荷密度会达到饱和，而且这种静电荷会在表面保留至少几小时，所以在这段时间并不需要持续的接触和摩擦。如果在介电层的背面分别镀两个不相连的对称电极，电极的大小及其间距与移动物体的尺寸在同一量级，那么这个带电物体在两个电极之间的往复运动会使两个电极之间产生电势差的变化，进而驱动电子通过外电路负载在两个电极之间来回流动，以平衡电势差的变化（图1-2（d））。电子在这对电极之间的往复运动可以形成功率输出。与上述单极模式相比，该模式不存在屏蔽效应，静电诱导的电子转移可以最有效地在独立层上达到相同数量的摩擦电荷。因此，当作为一个能量收集，这种模式比单个电极模式是更有效的[25]。图1-2摩擦纳米发电机的四种工作模式[25]a)垂直接触-分离模式b)水平滑动模式c)单电极模式d)独立层模式1.2.3固液双相TENG的研究现状传统TENG都是基于固体材料，所以在小尺度，尤其是在纳米尺度上，接触的有效性在很大程度上将受到两表面的粗糙度和两者之间匹配程度的影响。现阶段TENG的电荷密度大约为100μC/m2。同时，固体之间的摩擦将导致热量的生成与耗散。而这两点因素极大地限制了TENG效率的提高[26]。Wang等人制作了一种新型的液态金属基摩擦纳米发电机（LM-TENG）[26]。图1.3是该LM-TENG的示意图。由图1-3（a）可知，该LM-TENG由两部分组成，一部分是由摩擦材料和感应电极组成的薄片，另一部分是液态金属。图1.3（b）
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-6-描述了LM-PENG每一步的工作原理。其工作原理可理解为摩擦起电与静电感应的结果。当薄片部分浸入液态金属中时，摩擦材料开始与液态金属接触。如图1-3（b-i）所示，由于其吸电子能力不同，电子将从液态金属注入摩擦层的表面，使摩擦层的表面带净负电荷，而液态金属的界面产生净正电荷。当薄片从液态金属中移出时，界面的摩擦电荷产生分离，将使液态金属的电势高于感应电极；这样感应电极中的电子将通过外部负载流向液态金属，从而形成一个反向电流，如图1-3（b-ii）所示。在此过程中，电子持续流动直到薄片被完全移出，如图1-3（b-iii）所示。此时，感应电极与液态金属间的感应电势差和转移电荷量都达到最大值。当薄片又移回液态金属时，电势差将随着薄片润湿区域的增加而下降。所以，电子将沿相反的方向从液态金属流回感应电极，如图1-3（b-iiii）所示。因此整个过程将产生交流脉冲输出。在分离速度为0.25m/s下操作，接触面积为15cm2的LM-TENG可以产生679V的电压和9μA的电流。更重要的是，其输出电荷密度达430μC/m2，超过了固-固接触型TENG的4倍，且其功率密度达6.7W/m2和133Kw/m3。由于形状适应性的优点，具有20层构造的LM-TENG的输出电流高达130μA。此外，液态金属基TENG的能量转化效率达70.6%，且LM-TENG适用于振动能量的收集。振幅为1.2mm、频率为10Hz的LM-TENG的输出电压为145V，输出电流为5.8μA，且在65s内将100μF的电容器充电至1V。图1-3液态金属基摩擦纳米发电机的工作原理。(a)LM-TENG的结构示意图(b)LM-TENG每一步的工作原理示意图[26]Yang等人报道了一种经过结构设计后具有超拉伸性的液态金属摩擦纳米发电机（LM-TENG)[27]。该LM-TENG是由硅橡胶层作为摩擦层和封装材料，液态金属Gal
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