基于PDMS复合膜的柔性摩擦电纳米发电机的研究

发布时间：2017-08-16 17:11

  本文关键词：基于PDMS复合膜的柔性摩擦电纳米发电机的研究

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【摘要】：在信息高速发达的当今社会,以“移动、实时、智能”为特征的技术与商业模式变革正潜移默化地推动着。进而对全球能源体系提出了新的挑战,可移动、全天候、高效率的供应模式的移动能源将定义能源需求新篇章。目前全球范围内正在悄然兴起各类可移动分布式发电技术,基于压电效应、热释电效应、摩擦电效应和静电感应的纳米发电机正是其中之一。它可以从环境中收集的能量,通过能量转换来驱动无线可移动电子器件及其设备,实现能量供给。鉴于其在自驱动领域的潜在的应用前景以及急需进一步深究与探讨。本文基于PDMS复合膜,对柔性摩擦纳米发电机进行了研究,主要的研究工作如下:1合成了PDMS@GPs复合膜,系统地研究和对比分析了基于该膜的不同条件下的摩擦纳米发电机的输出电流、输出电压和输出功率。我们发现:纳米发电机既充当一个能量储存设备又充当一个能量输出设备。电容式结构的纳米发电机的电容量越大,聚合物材料的表面电荷密度就越大。GPs尺寸为20-30 nm,掺杂比例为3.0%的介电层膜的有效介电层厚度d减少了34.68%,相应的表面电荷密度增加了111.27%,输出功率密度可以达到3.7 W/m2,是基于纯PDMS膜的NG的2.6倍。此外,器件具有高输出功率、柔性、高集成性和生物兼容性等,在柔性传感器和生物器件领域中具有广泛的应用前景。2以水热法合成的尺寸为500 nm的Zn O团聚体颗粒和PDMS为原料,用刮膜法制备PDMS@Zn O复合膜,再用HCl刻蚀Zn O,得到表面和内部都图案化的多孔蚁穴状的PDMS柔性透明膜,并结合PET基底的石墨烯透明电极,制备出柔性透明摩擦纳米发电机。对比分析了基于刻蚀掺杂不同量的Zn O团聚体颗粒的PDMS复合膜的摩擦纳米发电机的输出,发现Zn O的最佳掺杂量为25%。器件的最大电流为7.8μA(1.95μA/cm2),最大电压达到271 V,最大输出功率可以达到0.39 m W,最大表面电荷密度可以达到9.8 n C(2.45 n C/cm2)。并对电学性能得到增强的机理进行了分析和总结,通过增大复合膜表面的粗糙度来增大摩擦,又通过直接减少有机介电层的有效介电层厚度的方法来增加器件的电容量,从而增加膜的表面电荷密度,达到增大输出功率。3将基于多孔蚁穴状PDMS复合膜和石墨烯透明电极的柔性纳米发电机应用于速度和重量传感器,该传感器既可以用于测定驱动物体的速度又可以用于测定驱动物体的重量,输出电流的峰值表征重量,峰值间的间距间接表征速度,同时该传感器产生的电能输出可以储存在储电能的设备中用于驱动传感器的电路系统。因此可以分别和同时测得运动物体的速度和重量,在交通电子测速和测超载方面有广泛的应用前景。
【关键词】：柔性纳米发电机 PDMS 驻极体 速度与重量传感器 自驱动
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM31
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 绪论9-22
• 1.1 引言9-11
• 1.2 纳米发电机简介11-19
• 1.2.1 高聚物驻极体材料简介11
• 1.2.2 电活性聚合物材料简介11-12
• 1.2.3 纳米发电机的介绍及其分类12-18
• 1.2.4 纳米发电机的研究现状18-19
• 1.3 论文的选题思路及其主要研究内容19-21
• 1.4 论文的创新点21-22
• 2 基于导电石墨粉掺杂的PDMS复合膜的柔性纳米发电机的研究22-39
• 2.1 引言22-25
• 2.1.1 PDMS@GPs复合膜及其基于该膜的CFNG的制备23-24
• 2.1.2 CFNG的测试与表征24-25
• 2.2 实验结果与分析25-37
• 2.2.1 实验结果25-26
• 2.2.2 GPs对CFNG的电学输出性能的影响26-30
• 2.2.3 CFNG尺寸与结构的优化30-32
• 2.2.4 CFNG的工作机理32-37
• 2.3 本章小结37-39
• 3 基于多孔蚁穴状PDMS复合膜和石墨烯透明电极的柔性透明摩擦电纳米发电机的研究39-56
• 3.1 引言39-44
• 3.1.1 ZnO团聚体颗粒的合成40-41
• 3.1.2 石墨烯-导电高分子透明电极的制备41
• 3.1.3 多孔蚁穴状PDMS复合膜的制备41-42
• 3.1.4 基于多孔蚁穴状PDMS复合膜的FT-TENG和速度与重量传感器的制备42-43
• 3.1.5 FT-TENG的测试与表征43-44
• 3.2 实验结果与分析44-53
• 3.2.1 实验结果44-49
• 3.2.2 FT-TENG的工作机理49-53
• 3.3 基于FT-TENG的速度与重量传感器的分析53-55
• 3.4 本章小结55-56
• 4 结论与展望56-59
• 4.1 主要结论56-57
• 4.2 后续工作与展望57-59
• 致谢59-60
• 参考文献60-66
• 附录66-67
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文66-67
• B. 发明专利67
• C. 作者在攻读硕士期间参加的科研项目及获奖情况67

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本文编号：684479