發(fā)布時(shí)間：2020-06-01 12:44

【摘要】：聚二甲基硅氧烷(PDMS)由于其本身柔韌性極好、透明度高、生物相容性好、摩擦電性能優(yōu)異等諸多優(yōu)點(diǎn),是摩擦電納米發(fā)電機(jī)負(fù)摩擦層的良好候選材料。PDMS基摩擦電納米發(fā)電機(jī)擁有PDMS材料的各項(xiàng)優(yōu)異性能,在移動(dòng)電子設(shè)備領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。然而,作為一個(gè)發(fā)電供能器件而言,摩擦電納米發(fā)電機(jī)單位面積或者單位體積的能量輸出密度還不夠大,從而嚴(yán)重限制了摩擦電納米發(fā)電機(jī)的大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。目前針對(duì)摩擦電材料優(yōu)化改性方面的研究還有待深入,尤其絕大多數(shù)優(yōu)化改性方法復(fù)雜,或成本高昂,或只適合特定摩擦電材料和特定的器件結(jié)構(gòu)。因此,十分有必要對(duì)摩擦電納米發(fā)電機(jī)的摩擦材料進(jìn)行優(yōu)化改性研究。本論文采用了表面粗糙化、摻雜化學(xué)改性和填充等方法對(duì)PDMS摩擦電材料進(jìn)行優(yōu)化;并在此基礎(chǔ)上,綜合了三種優(yōu)化方法,從而大幅度地提升摩擦電納米發(fā)電機(jī)的輸出性能。采用簡(jiǎn)易砂紙模板對(duì)摩擦層材料表面進(jìn)行粗糙化改性。通過蒸鍍銅和旋涂PDMS的制備方法分別獲得砂紙形貌的正摩擦層材料和砂紙互補(bǔ)形貌的負(fù)摩擦層材料。金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡等形貌表征結(jié)果顯示,采用10000目砂紙模板所制備的薄膜,表面微納結(jié)構(gòu)尺寸接近2.0μm。電學(xué)性能方面,未采用模板的器件開路電壓和轉(zhuǎn)移電荷量分別為35 V和15 nC,只用10000目砂紙旋涂PDMS后,電壓和轉(zhuǎn)移電荷量分別為48 V和19 nC,分別提高了37%和26%;只用10000目砂紙鍍銅后,電壓和轉(zhuǎn)移電荷量分別為76 V和30 nC,即分別提高了117%和100%;而當(dāng)采用10000目砂紙同時(shí)旋涂PDMS和鍍銅后,電壓和轉(zhuǎn)移電荷量分別為200 V和76 nC,即分別提高471%和406%。不管是單面粗糙化處理,還是雙面粗糙化處理,性能提升都十分明顯。尤其是雙面粗糙化處理的器件,當(dāng)兩個(gè)摩擦層材料采用相同目數(shù)的砂紙模板時(shí),匹配良好的契合結(jié)構(gòu)會(huì)使得摩擦過程中的實(shí)際接觸面積大大增加,進(jìn)而大幅度挺高器件輸出性能。采用聚四氟乙烯對(duì)PDMS進(jìn)行摻雜化學(xué)改性,通過引入電負(fù)性更高的基團(tuán)使摩擦材料具有更高的摩擦電性能,進(jìn)而提高摩擦過程中單位面積轉(zhuǎn)移的電荷量。X射線衍射分析和X射線光電子能譜分析顯示,摻入聚四氟乙烯將電負(fù)性更強(qiáng)的氟原子引入PDMS分子鏈中,其中當(dāng)摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%后,開路電壓和轉(zhuǎn)移電荷量最大,分別為180 V和82 nC,相比于未摻的56 V和27 nC,分別提高了220%和203%。用導(dǎo)電炭黑和納米銅顆粒對(duì)PDMS進(jìn)行填充,提高薄膜電容。在10 g的PDMS中填充炭黑0.2 g時(shí),開路電壓和轉(zhuǎn)移電荷量最大,分別為155 V和62 nC;在10g PDMS中填充0.3 g納米銅顆粒時(shí),開路電壓和轉(zhuǎn)移電荷量最大,分別為140 V和60 nC;兩種顆粒的填充效果相當(dāng)。填充導(dǎo)電顆粒會(huì)在薄膜中形成微型電容,相當(dāng)于減小了PDMS薄膜的有效厚度,因而使得薄膜電容增大,器件性能提高。綜合表面粗糙化、化學(xué)處理和導(dǎo)電顆粒填充這三種優(yōu)化方法后,電壓、電流和電荷的大小分別為350 V、6.5μA和130nC,器件性能提升顯著,有較好的應(yīng)用前景。
【圖文】：

周期性的接觸分離就使得摩擦電納米發(fā)電機(jī)不斷的對(duì)外供電。如圖1-1。圖 1-1 摩擦電納米發(fā)電機(jī)的工作原理圖[14]基于摩擦起電和靜電感應(yīng)，電壓和電流這兩個(gè)對(duì)發(fā)電機(jī)而言至關(guān)重要的電學(xué)性能參數(shù)，都與感應(yīng)電荷量成正比，而通常感應(yīng)電荷量與摩擦轉(zhuǎn)移電荷量呈線性正相關(guān)。電流是由感應(yīng)電荷的流動(dòng)產(chǎn)生，是單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體任一橫截面的電荷量，如式（1-1）；電壓的大小是由電極之間的電荷量和摩擦發(fā)電機(jī)的電容結(jié)構(gòu)決定，，是任意時(shí)刻電荷與電容的比值，如式（1-2）。I=dQ/dt (1-1)V=Q/C (1-2)ITOPETBTO NPs-PDMScomposite

圖 1-2 摩擦電納米發(fā)電機(jī)理想態(tài)下最大輸出功率的 V-Q 曲線推導(dǎo)曲線[15]能量轉(zhuǎn)換效率 就可以通過以下公式計(jì)算：o u t pp ue ctr y c l ed i s s i np pa et c r i yo c l eo u t pp ue ctr y c l emoutEEEEE (1-6) E
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM31;TB39

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本文編號(hào)：2691503