面向摩擦能量采集的材料优化和双尖结构性能研究

发布时间：2022-01-14 05:15

　　大自然环境中广泛存在很多非常容易被人们所忽略的能量,例如人体运动能、机械振动能、风能、波浪能。因此,基于现阶段可持续能源的发展,如何有效地采集上述微小能源已经成为近年来的研究热点。2012年王中林院士课题组摩擦纳米发电机的成功研制为微能源采集技术提供了新思路。其工作原理是通过两种不同摩擦电极序的材料接触后产生的表面静电荷在外力的作用下所形成的电势差变化所引起外部交流电信号。摩擦纳米发电机的工作原理简单、摩擦材料多样,可以广泛应用于收集人体运动机械能、波浪能、风能等多种形式的微小能源。然而,内阻高、开路电压大、短路电流小,致使其收集的能量无法得到高效率的输出,所以本文将通过电介质材料优化和双尖结构性能分析两个方面来进一步改善摩擦纳米发电机的输出性能。通过对摩擦纳米发电机的工作模式、电容理论模型等理论的分析,从如何提高表面摩擦电荷密度出发,提出了两种提高摩擦纳米发电机输出性能的途径。第一种是通过提高电介质材料相对介电常数,探索提高摩擦纳米发电机的电学输出性能的方法。第二种是通过减少电介质材料有效厚度,探索提高摩擦纳米发电机的电学输出性能的方法。并且通过上述两种方法得到的摩擦材料与摩擦正性材... 

【文章来源】：中北大学山西省

【文章页数】：71 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

能源发展趋势图

?纳器件等功能化应用。具有高输出性能的柔性压电纳米发电机是能量获取的理想选择。基于压电材料的柔性纳米发电机作为驱动便携式电子设备、无线设备或植入式医疗设备的新型电源已被广泛研究[8-12]。然而，柔性压电聚合物[例如聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)]具有压电系数低的缺点，而压电陶瓷[例如具有较大压电系数的BaTiO3(BT)、Pb(Zr、Ti)O3(PZT)、(K、Na)NbO3(KNN)]等具有脆性的缺陷。因此，将压电陶瓷填料与柔性聚合物相结合，构建柔性高性能的压电摩擦纳米发电机[12-17]具有越来越大的吸引力。如图1-2所示，上海交大研究组最近在C/BT纳米复合气凝胶纸的基础上，通过对复合纤维素纸的溶解和再生，制备了一种新型的柔韧型气凝胶纸。压电性能受益于三维纤维素网络，这有助于高BT负载、均匀的BT分散性和增强的纳米复合材料杨氏模量。基于C/BT-5的压电纳米发电机可以产生15.5V的电压和11.8μW的功率[18]。图1-2基于压电纳米发电机的C/BT气凝胶纸的制造过程示意图(Figure1-2SchematicofthefabricationprocessofaC/BTaerogelpaperbasedpiezoelectricnanogenerators.)2）使用纳米技术的能量收集和转换设备最近受到越来越多的关注，因为它们可能在构建和驱动自供电纳米设备和纳米系统方面发挥重要作用[19-25]。摩擦过程中产生的感应电荷在科学研究或技术应用中通常被称为负面影响，并且在许多情况下它们的能量都是浪费的。然而2012年，如图1-3，佐治亚理工学院材料科学与工程学院王中林研究团队提出了使用摩擦中的充电过程将机械能转换为电能以驱动小型电子设备的简单，低成本且有效的方法。摩擦发电机是通过堆叠两块聚合物板制成的，该聚合物板由具有明显

恋缣匦缘牟牧现瞥桑?鹗裟こ粱?谧樽敖峁沟亩ゲ亢偷撞恳宰魑?缂?Ｒ坏?受到机械变形，由于纳米级表面粗糙度，两层膜之间的摩擦在两侧产生相等数量但相反的电荷。因此，在界面区域形成了摩擦电势层，如果系统的电容发生变化，则该摩擦电势层将用作电荷“泵”，以驱动外部负载中电子的流动。这种柔性聚合物摩擦发电机的最大输出电压为3.3V。功率密度为~10.4mW/cm3。摩擦发电机具有从人类活动、旋转轮胎、海浪、机械振动等获取能量的潜力，在个人电子、环境监测、医疗科学甚至大规模电力的自供电系统中有着巨大的应用[26]。图1-3弯曲和释放过程中集成发电机的结构；柔性摩擦发电机和其机械弯曲时的图像(Figure1-3Thestructureofanintegratedgeneratorinbendingandreleasingprocess.Photographicimagesofaflexibletriboelectricgeneratorandmechanicalbendingequipment.)摩擦纳米发电机（TENG）是可将外界机械能转换为电能的新型能源采集器件，具有原理简单、结构巧妙、成本较低等特点。摩擦纳米发电机的理论来源是麦克斯韦位移电流，是摩擦起电和静电感应两种原理的结合。两种摩擦电极序不同的材料接触后所产生的感应电荷，在外界机械力的作用下所形成的电势差驱动电子在外部电路流动，从而实现将摩擦能量转换成电能。如表1-1列出了一些常用材料的摩擦电极序的排序。从表中可以看出，对于摩擦纳米发电机的制备，只要选择两种不同摩擦电极序的材料，就可以得到简易的摩擦纳米发电机。与此同时，为保证摩擦电荷能够较长时间的聚集在材料表面，摩擦纳米发电机的两个接触材料中，至少一种是绝缘体。可以看出，摩擦纳米发电机具有工作原理简单、摩擦材料种类众多等优点。而对于摩擦纳米发电机的应用环境，不仅可以收集手机的触摸、键盘的敲击时的能量、水低

【参考文献】：
期刊论文
[1]生物燃料的发展现状与前景[J]. 刘瑾,邬建国.  生态学报. 2008(04)
[2]浅谈世界能源危机及中国的战略抉择[J]. 白少成.  实验科学与技术. 2006(S1)
[3]微能源发展概述[J]. 秦冲,苑伟政,孙磊,乔大勇.  光电子技术. 2005(04)
[4]能源危机与对策[J]. 张光寅.  科学中国人. 2003(08)



本文编号：3587881