發(fā)布時間：2018-02-08 14:13

  本文關(guān)鍵詞： 納米發(fā)電機(jī) 柔性器件 復(fù)合壓電材料 輸出電流特性　出處：《北京科技大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：在電子技術(shù)快速發(fā)展的今天,各種便攜式、可穿戴智能電子設(shè)備的出現(xiàn)改變了人們的生活水平和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展,同樣也對能源的獲取和利用提出了更高的要求,發(fā)展清潔、便攜式、低成本的能源以保證電子器件持續(xù)工作具有重要意義。環(huán)境中的機(jī)械能無處不在,利用壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)電轉(zhuǎn)換的納米發(fā)電機(jī)可將這些能量收集起來,源源不斷為電子器件提供能量。要使納米發(fā)電機(jī)對復(fù)雜機(jī)械能有更好的匹配度和穩(wěn)定性,從而更有效地收集環(huán)境中的機(jī)械能,需要實(shí)現(xiàn)壓電納米發(fā)電機(jī)的柔性化。將壓電材料填充到柔性聚合物材料中是一種構(gòu)建柔性壓電納米發(fā)電機(jī)的簡單方法,具有制備簡單、成本低廉、適合大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)勢。本論文圍繞柔性復(fù)合壓電納米發(fā)電機(jī)的設(shè)計與性能模擬、構(gòu)建與性能優(yōu)化以及納米發(fā)電機(jī)輸出電流特性,系統(tǒng)研究了復(fù)合壓電納米發(fā)電機(jī)的壓電相與基體的力學(xué)、電學(xué)參數(shù)以及復(fù)合結(jié)構(gòu)對復(fù)合壓電納米發(fā)電機(jī)性能的影響規(guī)律;設(shè)計并構(gòu)筑了釩摻雜氧化鋅(ZnO)/細(xì)菌纖維素復(fù)合、鈦酸鋇(BaTiO_3)納米顆粒/聚二甲基硅氧烷(PDMS)復(fù)合以及BaTiO_3納米顆粒/細(xì)菌纖維素復(fù)合的三種柔性壓電納米發(fā)電機(jī);測量了壓電納米發(fā)電機(jī)的最大峰值電流,實(shí)現(xiàn)了納米發(fā)電機(jī)輸出電流的精確表征,揭示了壓電納米發(fā)電機(jī)的電容以及測試過程所施加的力等因素對最大峰值電流的影響規(guī)律。利用有限元多物理場模擬軟件COMSOL對復(fù)合壓電納米發(fā)電機(jī)性能進(jìn)行了理論模擬。發(fā)現(xiàn)增大基體的楊氏模量和泊松比能夠顯著增強(qiáng)壓電相的受力,從而提高復(fù)合壓電納米發(fā)電機(jī)性能。提高壓電相的壓電系數(shù)并降低其介電常數(shù),可顯著提高復(fù)合壓電納米發(fā)電機(jī)性能�；w介電常數(shù)處于較低范圍(εr30)時,提高基體介電常數(shù)可使復(fù)合壓電納米發(fā)電機(jī)性能明顯增強(qiáng);基體介電常數(shù)處于較高范圍(εr30)時,提高基體介電常數(shù)會降低性能降低。提高壓電相在橫向和垂直方向的分布密度,能顯著提高復(fù)合壓電性能;壓電相分布密度不變的情況下,多個復(fù)合結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行串聯(lián)可顯著提高復(fù)合壓電納米發(fā)電機(jī)性能。構(gòu)建了釩摻雜ZnO/細(xì)菌纖維素復(fù)合柔性壓電納米發(fā)電機(jī)。細(xì)菌纖維素的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的親水性可使反應(yīng)前驅(qū)體滲入并原位反應(yīng),在其內(nèi)部得到尺寸、分布均勻的釩摻雜ZnO微米球。釩摻雜ZnO具有鐵電性,內(nèi)部電偶極子可在外加高壓條件下發(fā)生定向排列,因此無需對釩摻雜ZnO的晶體生長方向進(jìn)行控制。釩摻雜ZnO/細(xì)菌纖維素復(fù)合柔性壓電納米發(fā)電機(jī)在循環(huán)彎曲應(yīng)變下產(chǎn)生的輸出電壓為1.5 V,輸出電流為80 nA/cm2,功率密度為60 nW/cm2,顯著高于純ZnO器件性能,這是釩摻雜使ZnO壓電系數(shù)提高引起的。該發(fā)電機(jī)可用作自驅(qū)動翻頁動作傳感器,可識別書頁的前后翻動作,響應(yīng)時間為0.1s,產(chǎn)生的信號足以驅(qū)動LCD顯示屏。發(fā)電機(jī)的輸出電壓和電流經(jīng)過整流仍可達(dá)到0.9 V和40nA,可以在350s內(nèi)將2.2μF的電容充至0.1 V。構(gòu)建了BaTiO_3納米顆粒/PDMS復(fù)合柔性壓電納米發(fā)電機(jī)。設(shè)計了插指電極結(jié)構(gòu)器件,產(chǎn)生的輸出電壓和電流密度分別達(dá)到1.5 V和80nA/cm2。由于插指電極在結(jié)構(gòu)上獲得了較高的BaTiO_3納米顆粒分布密度,同時利用了BaTiO_3的d33壓電系數(shù),顯著高于三明治結(jié)構(gòu)所利用的d31壓電系數(shù),因此比相同條件下的三明治結(jié)構(gòu)器件性能高10倍。構(gòu)建了 BaTiO_3納米顆粒/細(xì)菌纖維素復(fù)合柔性壓電納米發(fā)電機(jī),垂直壓力下的輸出電壓和電流密度分別達(dá)到14 V和190 nA/cm2,彎曲條件下輸出電壓達(dá)到1.5 V。細(xì)菌纖維素的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和親水性顯著提高了 BaTiO_3納米顆粒分布密度,且細(xì)菌纖維素較高的楊氏模量使BaTiO_3納米顆粒的受力增強(qiáng),因此器件性能顯著提高。通過控制測量電路通斷將應(yīng)變施加和電荷轉(zhuǎn)移兩個過程分離開來,實(shí)現(xiàn)了壓電納米發(fā)電機(jī)的最大峰值電流的測量,排除了應(yīng)變速率對測試結(jié)果的影響。通過理論推導(dǎo)和實(shí)驗修正得到了壓電納米發(fā)電機(jī)最大峰值電流的表達(dá)式,發(fā)現(xiàn)壓電納米發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻和測試電路的寄生電容會影響最大峰值電流。電容充放電時間常數(shù)可定量描述壓電納米發(fā)電機(jī)輸出電流的時間依賴性,因此可作為輸出電流特性的重要表征參數(shù)。研究了發(fā)電機(jī)電容、測試過程所施加力對壓電納米發(fā)電機(jī)最大峰值電流和時間常數(shù)的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)增大壓電納米發(fā)電機(jī)的電容會降低最大峰值電流和輸出功率,延長時間常數(shù),并使發(fā)電機(jī)內(nèi)阻降低。施加力的增大會提高最大峰值電流和輸出功率,對時間常數(shù)和發(fā)電機(jī)內(nèi)阻沒有影響。
[Abstract]:In order to improve the performance of the composite piezoelectric nano - generator , it is necessary to improve the performance of the composite piezoelectric nano - generator , and to improve the performance of the composite piezoelectric nano - generator . In this paper , the influence of strain rate on the maximum peak current and the maximum peak current of the piezoelectric nano - generator is obtained . The maximum peak current and the output power of the piezoelectric nano - generator are improved by the theoretical derivation and experimental correction . The maximum peak current and output power are improved by the increase of the applied force , and the time constant and the internal resistance of the generator are not affected .

【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TM31

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本文編號：1495631