非金属无氟纸基发电机

发布时间：2017-10-12 09:43

  本文关键词：非金属无氟纸基发电机

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【摘要】：随着柔性电子器件的快速增长,柔性电源普遍受到了业界的关注。而市场上的电源主要以块状的纽扣电池或者锂电池为主,并不能够与全柔性电子设备相接连。此外,电池存在例如爆炸等隐性危险,常常在航空托运中受到限制。因此,目前人们致力于寻求一种全柔性的电源或者发电机,其能够直接为柔性电子产品,如微型可携带/穿戴电子设备、智能包装提供能源;且保持绿色安全。而纸作为一种信息传播的传统载体,具有廉价、质轻、可生物降解和可循环等优点,近年来在柔性电子纸、晶体管、触摸板以及智能包装显示等领域引起了广泛关注。于是,纸基发电机作为外部电源的一种替代或者补充应运而生,从而拓展了纸基电子产品的应用。本论文介绍了一种对环境友好的非金属无氟纸基发电机,可以从周围环境中收集能量并转化为电能。主要的研究内容和成果如下:1.基于碳纳米管耐腐烛、耐冲击和导电导热性好等优良特性,我们选择碳纳米管作为导电材料,通过刮涂的方法制作出碳纳米管导电层,并测试其抗拉伸性能和稳定性。实验证明,碳纳米管导电层在不同弯曲条件下其导电性能保持在154.9Ω/□左右,可见,其具有很好的抗拉伸性。此外,碳纳米管导电层在原始状态下的伏安特性曲线和经历1000次循环后的伏安特性曲线接近重合,表明碳纳米管导电层具有很好的稳定性。另一方面,碳纳米管替代传统的金属作为导电层可以避免金属回收对环境的影响。2.基于驻极体可以长久保持剩余电荷的性能,我们选择驻极体材料聚丙烯作为发电功能材料,可以避免含氟材料对环境的影响。通过实验对比发现使用多孔聚丙烯材料的发电机的输出峰值电流为使用普通聚丙烯材料发电机输出峰值电流的2倍以上,因此我们进一步选择多孔聚丙烯材料作为发电功能材料。在对多孔聚丙烯进行极化处理的研究中,我们发现通过负电晕充电处理后,多孔聚丙烯材料的表面电位可以在较长的时间内保持在-620 V左右。3.基于静电感应的原理,我们设计出一种新的非金属无氟纸基V型发电机。这种发电机以相纸作为基底,以碳纳米管作为导电层,以多孔聚丙烯作为发电功能材料。根据V型结构我们建立这类器件的理论模型,推导得出这种非金属无氟纸基V型发电机在外接电阻条件下输出特性的基本公式。通过数值计算方法,得到峰值电流和瞬时峰值功率在不同外接电阻和不同频率下的数值解。进一步地,我们可以得到最佳负载电阻和频率的关系,从而为定量分析非金属无氟纸基V型发电机的输出特性提出了一套准确的方法。4.对非金属无氟纸基V型发电机进行实际输出性能测试,测试结果和模拟结果高度一致。在外力作用下,组成非金属无氟纸基V型发电机的上下两个部件之间的距离产生变化,形成电荷分离和电势差,并驱动电子在外电路中流动。非金属无氟纸基V型发电机在25 Hz条件下的瞬时峰值功率达到646.4μW。此外,在持续运动72,000个周期后,器件仍保持完整的形貌和输出性能,表明发电机具有很好的稳定性和持久性。同时,我们还证明了通过人体运动驱动发电机可以点亮液晶显示屏,从而证明了纸基发电机在防伪包装方面的应用。5.为了进一步提高单位面积的输出功率,我们也制作出非金属无氟纸基叠层发电机。实验证明,包含三个发电单元的非金属无氟纸基叠层发电机的峰值电流约为3.85μA,是非金属无氟纸基V型发电机峰值电流约1.75μA的2.2倍。此外,积分后的转移电荷从非金属无氟纸基V型发电机的10.45 n C增加到包含三个发电单元的非金属无氟纸基叠层发电机的28.71 n C,后者是前者的2.75倍。上述研究证明通过增加叠层数量的方法可以在减少空间和材料浪费的情况下有效地提高输出能量。
【关键词】：非金属 无氟 纸基发电机
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM31
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-20
• 1.1 引言11-13
• 1.2 柔性发电机的发展与应用13-17
• 1.3 纸基电子产品17-18
• 1.4 课题的提出及主要研究内容18-20
• 2 碳纳米管导电层和聚丙烯的表征及性能研究20-33
• 2.1 碳纳米管20-21
• 2.2 碳纳米管导电层的制作和性能研究21-24
• 2.3 驻极体24-28
• 2.4 无氟驻极体材料多孔聚丙烯的制备方法和性能研究28-31
• 2.5 本章小结31-33
• 3 非金属无氟纸基V型发电机性能研究33-48
• 3.1 传统拱形结构发电机33-34
• 3.2 非金属无氟纸基V型发电机的制备与表征34-36
• 3.3 非金属无氟纸基V型发电机的理论模型36-37
• 3.4 有限元模拟非金属无氟纸基V型发电机的输出性能37-42
• 3.5 非金属无氟纸基V型发电机的输出性能42-45
• 3.6 非金属无氟纸基V型发电机的稳定性能及应用45-47
• 3.7 本章小结47-48
• 4 非金属无氟纸基叠层发电机性能研究48-52
• 4.1 传统平行连接多个发电机提高输出48
• 4.2 发电机结构改进的相关研究48-49
• 4.3 叠层器件的制备49-50
• 4.4 非金属无氟纸基叠层发电机的输出性能50-51
• 4.5 本章小结51-52
• 5 总结和展望52-54
• 致谢54-56
• 参考文献56-62
• 附录1 攻读硕士学位期间发表论文目录62-63

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

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本文编号：1018024