基于PDMS的柔性摩擦纳米发电机的研究
本文关键词：基于PDMS的柔性摩擦纳米发电机的研究
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【摘要】：在人们的日常生活中,由于不同材质相互摩擦而产生的静电常常困扰着人们,因此人们都会采取各种方法来避免静电的产生。然而,美国佐治亚理工学院的王中林教授小组利用摩擦起电效应和静电平衡的耦合作用,发明了摩擦纳米发电机,这种发电机能够将工业生产和人们日常生活中产生的机械能、风能、水波能等能量转换成电能。目前,随着科学技术的不断进步,全球能源体系面临着巨大的危机和挑战。在这个时代背景下,摩擦纳米发电机的发明具有时代性的意义。在摩擦纳米发电机的内部电路结构中,基于摩擦起电效应和静电平衡的耦合作用,电性不同的两种摩擦材料之间会产生电荷感应而使二者之间带有等量异号的电量,从而在两种材料之间形成电势差;而发电机外部电路中的电子在电势差的作用下在电极间流动。由于这种发电机是一种非常有前景的能量收集器件,可以收集周围环境中的多种能量并同时转换为电能,可以给无线可移动的电子器件以及小型设备提供能量。鉴于纳米发电机在自驱动领域的潜在应用前景,系统研究纳米发电机的工作机理和提高其输出性能是目前研究纳米发电机的首要任务,也是具有挑战性的工作。在本论文中,通过实验制备了银(Ag)纳米线,铌酸钠(NaNbO3)纳米线以及铌酸钠纳米块,以基于压电效应、热释电效应、摩擦起电以及静电感应的纳米发电机,我们设计了以PDMS为基底的不同结构,不同工作原理的柔性纳米发电机。主要的研究要点如下:(1)基于Ag纳米线为电极的单电极摩擦纳米发电机:以乙二醇做还原剂,同时使用硝酸银以及PVP作为合成原料,采用多元醇法合成形貌均匀的、长度大约在15μm的银(Ag)纳米线,并对其进行SEM以及XRD表征。同时,以氢氧化钠(NaOH)和氧化铌(Nb2O5)为原料,采用水热法合成形貌均匀且长度在15μm左右的铌酸钠(NaNbO3)纳米线,并对其进行SEM以及XRD表征。将合成的Ag纳米线作为电极,制备成PDMS/Ag/PDMS结构的摩擦纳米发电机,并通过在Ag纳米线中掺入一定量的NaNbO3纳米线,与PDMS/Ag/PDMS结构的摩擦纳米发电机做对比。利用直线电机、数据采集卡,SR570等组成的测试系统,测试制备的柔性纳米发电机。实验结果表明,薄膜厚度为1 mm,尺寸大小为2 cm×3 cm的柔性器件,其最大电流输出为15.5μA,最大输出电压为330 V,最大输出功率为1.5 mW(0.25 mW/cm2)。最后,将基于Ag纳米线做为电极的柔性纳米发电机应用在角度传感器中。(2)基于NaNbO3纳米线掺杂的PDMS复合膜的柔性纳米发电机以NaOH和Nb2O5为原料,采用水热法合成形貌均匀的NaNbO3纳米块,并对其进行SEM以及XRD表征。将合成的NaNbO3纳米块与PDMS混合,通过刮膜法制备了不同质量比的PDMSNaNbO3复合膜,并结合铜箔电极,组装出柔性透明的摩擦纳米发电机。对比分析了由不同质量比PDMSNaNbO3复合膜组装的摩擦发电机的输出,发现NaNbO3的最佳掺杂为7%,器件的最大输出电流为15μA(尺寸为2 cm×2 cm),最大输出电压为600 V,最大输出功率为2 mW。同时,对器件的输出性能得到增强的机理进行分析。
【关键词】：柔性纳米发电机 PDMS 银纳米线电极 角度传感器 NaNbO3 复合膜
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM31;TB383.1
【目录】：
- 中文摘要3-5
- 英文摘要5-9
- 1 绪论9-26
- 1.1 引言9-16
- 1.1.1 能源危机和挑战9-10
- 1.1.2. 新型能源的发展10-16
- 1.2 传统发电机16-17
- 1.3 纳米发电机17-24
- 1.3.1 纳米发电机简介及分类17-24
- 1.3.2 纳米发电机的研究现状24
- 1.5 论文的选题背景主要研究内容以及创新点24-26
- 1.5.1 论文的选题背景24-25
- 1.5.2 论文的主要内容25
- 1.5.3 论文的创新点25-26
- 2 基于Ag纳米线为电极的单电极摩擦纳米发电机26-41
- 2.1 引言26-27
- 2.2 纳米材料的合成27-29
- 2.2.1 水热法合成NaNbO_3纳米线27-28
- 2.2.2 多元醇法合成Ag纳米线28-29
- 2.3 纳米材料的表征29-31
- 2.3.1 Ag纳米线的表征29-30
- 2.3.2 NaNbO_3纳米线的表征30-31
- 2.4 基于Ag纳米线为电极的单电极摩擦纳米发电机制备及性能研究31-37
- 2.4.1 基于Ag纳米线为电极的单电极摩擦纳米发电机制备31-32
- 2.4.2 基于Ag纳米线为电极的单电极摩擦纳米发电机的性能研究32-36
- 2.4.3 基于Ag纳米线为电极的单电极摩擦纳米发电机的工作原理36-37
- 2.5 基于Ag纳米线为电极的单电极纳米发电机的应用37-39
- 2.6 本章小结39-41
- 3 基于NaNbO_3纳米块掺杂的PDMS复合膜的柔性纳米发电机的研究41-52
- 3.1 引言41-45
- 3.1.1 NaNbO_3纳米块的合成42-43
- 3.1.2 PDMS&NaNbO_3纳米块复合膜的制备及发电机的组装43-44
- 3.1.3 基于PDMS&NaNbO_3复合膜的发电机的测试和表征44-45
- 3.2 实验结果及分析45-51
- 3.2.1 实验结果45-48
- 3.2.2 基于PDMS&NaNbO_3复合膜的摩擦发电机的工作原理48-51
- 3.3 本章小结51-52
- 4 结论与展望52-54
- 4.1 主要结论52-53
- 4.2 后续工作与展望53-54
- 致谢54-55
- 参考文献55-61
- 附录61
- A 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文61
- B 发明专利61
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，本文编号：552555
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