介电性能调控增强摩擦电纳米发电机输出性能的研究

发布时间：2020-04-01 08:28

【摘要】：随着工业社会的不断发展,能源消耗日益增高,传统化石能源的不可再生使其在未来不具有可持续性,同时化石能源的使用带来了严重的环境问题。因此,清洁、可再生的能源的开发成为人类发展的迫切需求。摩擦纳米发电机是近年来迅速发展的一种纳米能源器件,其成本低,小尺寸以及结构可设计性使其在能量收集、自供电微纳系统以及可穿戴电子器件方面具有独特的优势。然而,摩擦纳米发电机的输出功率密度不高一直是影响其实用化进程的制约因素。本论文根据摩擦纳米发电机的麦克斯韦位移电流原理和电容模型,采用调控摩擦介质层介电性能的策略提高摩擦纳米发电机的输出性能,并讨论其影响规律和机理。研究发现,通过在PDMS层中填充铁电相钛酸钡粉体能够有效提高PDMS基质的电容率,并对摩擦纳米发电机的输出产生显著的影响。测试结果表明,摩擦纳米发电机的输出性能随着介质层电容的增大而增大,并且通过极化,可以进一步大幅提升摩擦纳米发电机的输出性能,论文通过极化后介质内部形成的内建电势场,分析了介质极化对摩擦纳米发电机输出性能的增强机理,同时通过正反向极化的对比进行了验证。正向极化(极化方向指向摩擦接触面)时,其输出性能提升了接近75%,而当反向极化时,其输出性能降低了将近60%。研究结果表明,摩擦介质层的介电性能调控能够有效的增强摩擦纳米发电机的输出性能。论文基于摩擦电效应的位移电流原理,设计了一种类压电行为器件。通过具有不同功函数的材料设计多层结构器件,其可以表现出类似于压电材料的电学行为。通过压电常数测量仪以及铁电测量仪的测量分析,通过器件内部结构的优化,其d33常数可以达到26.2 pC/N。并且在压力作用下,其开路电压与压力呈良好的线性关系。论文通过电滞回线研究了其异质界面,同质界面的极化机制,可以将电荷分离的气孔类比于偶极子,气孔是使器件存在剩余极化的必要条件,并且异质界面的气孔可以通过外加应力使器件产生自发极化。通过控制界面上的中空孔的孔径和孔间距可以有效的改善器件的输出性能。
【图文】：

起电机,开尔文,粒子加速器,电气

很多措施来避免静电的积累，以防止危害。譬如汽车尾部会安装有将静电导入大地。逡逑在生产生活中是一把双刃剑，在存在危害的同时也可以被应用，譬］，具有涂料利用率高，污染小的优势；利用静电可以用来进行颗粒分分类回收［ｗ］；静电吸尘器可以过滤普通吸尘器无法过滤的的细小灰电引发的危害可以看出，其中蕴含着巨大的能量，静电的产生其实的一种表现方式，在机械能中，除有用功外的能量都很多都被转换如果能将这一部分能量收集利用起来的话，这将是一个无穷的宝库。姆胡斯特起电机（图ｌ－ｌ（ｂ）），开尔文滴水起电机（图ｌ－ｌ（ｃ））等就集存储的最早探索，１９２９年范德格拉夫发明了范德格拉夫起电机（这个装置能够生成数百万伏的高压，在回旋力口速器出现之前，范德一直被作为加速器高压提供源。逡逑

示意图,摩擦电,发电机,纳米

１．２．１摩擦电纳米发电机基本原理逡逑王中林教授［８］在２０１２年首次展示了利用ＰＥＴ和聚酰亚胺的摩擦起电及静电逡逑耦合效应的能量收集器件（图１－２），并命名为摩擦电纳米发电机（ＴＥＮＧｓ）。这逡逑种新型的器件可以提供３．３邋Ｖ的输出电压，，功率密度达到１０．４邋ｍＷ／ｃｍ３。虽然输逡逑出并不大，但这种新型的器件给静电能量的收集利用提供了一个全新的思路，自逡逑此之后大量研究人员对这种新型器件的工作机制做出了细致的研究，并对其应用逡逑范围作了极大的扩展。比起传统的电磁感应式发电机，摩擦电纳米发电机在体积逡逑上要小很多，其功率密度比传统电磁感应式发电机要大。因此在一些特定场合下，逡逑摩擦电纳米发电机能显示出其独特的优势，同时其制作所需要的材料简易，成本逡逑低廉也是其很大的竞争优势。逡逑ｂ邋逦逡逑。丨逡逑｜邋Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ邋￣逡逑°ＳＳＱ逡逑图１－２摩擦电纳米发电机工作示意图（ａ）摩擦电纳米发电机结构测试示意图与逡逑实物（ｂ）摩擦电纳米发电机电荷转移示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｗｏｒｋｉｎｇ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ＴＥＮＧｓ邋（ａ）邋Ｔｈｅ邋Ｓｋｅｔｃｈ邋ａｎｄ邋ｏｂｊｅｃｔ邋ｏｆ逡逑Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ邋ｔｅｓｔ邋ｏｆ邋ＴＥＮＧｓ邋（ｂ）邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｃｈａｒｇｅ邋ｔｒａｎｓｆｅｒ邋ｏｆ邋ＴＥＮＧｓ．逡逑摩擦电纳米发电机本质上利用的是摩擦起电和静电感应相耦合的效果，由于逡逑不同材料的电负性不同
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM31

【相似文献】