本文關(guān)鍵詞： 摩擦起電效應(yīng) 壓電效應(yīng) 機(jī)械振動(dòng) PVDF GaN PDMS 納米發(fā)電機(jī) 脈沖電沉積　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】：摩擦納米發(fā)電機(jī)與壓電納米發(fā)電機(jī)因其各自獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而被用于收集周圍環(huán)境機(jī)械振動(dòng)能并將其轉(zhuǎn)換成電能,從而為解決當(dāng)前能源危機(jī)問(wèn)題提供了新的思路。β相聚偏氟乙烯(PVDF)、六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的氮化鎵(GaN)以及四方相鈦酸鋇(BaTiO_3)因其各自良好的壓電性能而被用于壓電器件。PVDF、聚二甲基硅氧烷(PDMS)因其優(yōu)異的摩擦電負(fù)性而被用于制備摩擦納米發(fā)電機(jī)中。本論文通過(guò)將摩擦效應(yīng)與壓電效應(yīng)集成到一種材料(PVDF、GaN/PDMS或BaTiO_3/PDMS復(fù)合材料)中,成功設(shè)計(jì)制備出摩擦壓電復(fù)合納米發(fā)電機(jī),系統(tǒng)研究了實(shí)驗(yàn)條件對(duì)摩擦壓電復(fù)合納米發(fā)電機(jī)輸出性能的影響,有效提高了復(fù)合納米發(fā)電機(jī)的機(jī)械能收集轉(zhuǎn)換效率。另外,采用摩擦納米發(fā)電機(jī)作為電源,首次實(shí)現(xiàn)了自驅(qū)動(dòng)電沉積制備氫氧化鎳納米結(jié)構(gòu)。(1).以β相聚偏氟乙烯PVDF薄膜為壓電材料,并以其表面為摩擦部分設(shè)計(jì)制備了 PVDF基摩擦壓電復(fù)合納米發(fā)電機(jī)。研究了極化條件對(duì)復(fù)合納米發(fā)電機(jī)輸出性能的影響。結(jié)果表明:正向極化處理與反向極化處理能夠分別將復(fù)合納米發(fā)電機(jī)的輸出電壓與電流密度平均值提高1.3 V和1.2 μA/cm2以及降低1.2 V和1.8 μA/cm2;另外,在PVDF表面旋涂一層PDMS能夠有效提高復(fù)合納米發(fā)電機(jī)的輸出性能。表面旋涂PDMS后,復(fù)合納米發(fā)電機(jī)的輸出電壓與電流密度平均值分別提高了 1.9 V和1.9 μA/cm2;研究了 PVDF厚度對(duì)PDMS/PVDF復(fù)合納米發(fā)電機(jī)輸出性能的影響,發(fā)現(xiàn)隨著PVDF厚度的增加,復(fù)合納米發(fā)電機(jī)的輸出性能逐漸提高,當(dāng)PVD厚度為40 μm時(shí),復(fù)合納米發(fā)電機(jī)的輸出電壓與電流密度平均值分別為8.4 V和7.7 μA/cm2。(2).采用化學(xué)氣相沉積法成功制備出三維GaN納米結(jié)構(gòu)和一維鋸齒形GaN納米結(jié)構(gòu),并對(duì)其微觀形貌及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線衍射及拉曼光譜表征。以GaN顆粒與PDMS為原料制備出GaN/PDMS復(fù)合薄膜并以此組裝成摩擦壓電復(fù)合納米發(fā)電機(jī)。研究了 GaN含量對(duì)復(fù)合納米發(fā)電機(jī)的輸出性能影響。研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)GaN含量增加時(shí),復(fù)合納米發(fā)電機(jī)的輸出電壓與電流密度也隨著增加;當(dāng)GaN含量為9 wt%時(shí),復(fù)合納米發(fā)電機(jī)的輸出電壓與電流密度達(dá)到最大值,分別為9.5 V和10.9μA/cm2。當(dāng)GaN含量繼續(xù)增加時(shí),復(fù)合納米發(fā)電機(jī)的輸出電壓與電流密度開(kāi)始下降,當(dāng)GaN含量增加到20 wt%時(shí),復(fù)合納米發(fā)電機(jī)的輸出電壓與電流密度分別降到7.0 V和7.5 μA/cm2。(3).將壓電材料鈦酸鋇(BaTiO_3)納米顆粒與PDMS混合制備出了BTO/PDMS復(fù)合薄膜,并以此薄膜組裝成摩擦壓電復(fù)合納米發(fā)電機(jī)。研究了極化條件對(duì)復(fù)合納米發(fā)電機(jī)輸出性能的影響。研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)薄膜厚度為200μm,BTO含量為20 wt%時(shí),正向極化與反向極化能夠分別將復(fù)合納米發(fā)電機(jī)基的輸出電壓提高4.3 V和降低3.4 V。探討了 BTO含量對(duì)復(fù)合納米發(fā)電機(jī)輸出性能的影響。結(jié)果表明:復(fù)合納米發(fā)電機(jī)的輸出性能隨著B(niǎo)TO含量的增加而增加,當(dāng)BTO含量為20 wt%時(shí)達(dá)到最大;當(dāng)BTO含量超過(guò)20 wt%后,復(fù)合納米發(fā)電機(jī)輸出性能開(kāi)始下降。另外,對(duì)比了 100 μm厚度和200 μm厚度薄膜的復(fù)合納米發(fā)電機(jī)的輸出性能發(fā)現(xiàn):當(dāng)BTO含量為20 wt%時(shí),200 μm厚度的復(fù)合薄膜納米發(fā)電機(jī)經(jīng)正向極化處理后的電壓與電流密度輸出平均值分別為13.5V和16.7μA/cm2;而相同條件下,100μm厚度的復(fù)合納米發(fā)電機(jī)的電壓與電流密度則分別提高到14.1 V和22.1 μA/cm2。最后,設(shè)計(jì)了三種測(cè)試模式(復(fù)合輸出模式、摩擦輸出模式及壓電輸出模式)將摩擦輸出與壓電輸出進(jìn)行了區(qū)分,三種模式下的輸出電壓平均值分別為3.3 V、2.2V及1.1 V。在這三種測(cè)試模式下對(duì)2.2 μF的電容器進(jìn)行充電,結(jié)果發(fā)現(xiàn):摩擦效應(yīng)與壓電效應(yīng)同時(shí)貢獻(xiàn)的復(fù)合輸出電壓能夠在50 s內(nèi)將電容器充滿使其達(dá)到飽和電壓 1.44 V。(4).設(shè)計(jì)制備了一種簡(jiǎn)單的接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī),并以此為脈沖電源電沉積制備了氫氧化鎳納米結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)比不同頻率機(jī)械振動(dòng)下的摩擦發(fā)電輸出電壓與電流,選擇1 Hz頻率下的摩擦發(fā)電輸出作為電沉積電源。在空白FTO導(dǎo)電玻璃、長(zhǎng)有氧化鋅納米線陣列的FTO導(dǎo)電玻璃以及鍍有金膜的硅基底上生長(zhǎng)制備出了氫氧化鎳納米結(jié)構(gòu)。對(duì)脈沖電沉積制備的氫氧化鎳微觀形貌、組成和電化學(xué)性能進(jìn)行了掃描電子顯微鏡、X射線光電子能譜以及循環(huán)伏安測(cè)試表征。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TM31

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本文編號(hào)：1506468