【摘要】：自從壓電納米發(fā)電機(PENG)和摩擦納米發(fā)電機(TENG)相繼問世以來,應(yīng)用在自驅(qū)動系統(tǒng)中的小型宏觀機械能的采集變得更加高效、低成本和簡便化。本文創(chuàng)新性的結(jié)合軌道交通和微型仿生飛行器的應(yīng)用背景設(shè)計和實現(xiàn)了兩種納米發(fā)電機,并獲得了優(yōu)良的器件性能,論文的主要工作包括:首先結(jié)合鐵路結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應(yīng)用背景,本文實現(xiàn)了一種自供電的摩擦納米發(fā)電機,即TEVA。通過模擬鐵路振動仿真平臺,本文對TEVA的性能進行了測試和表征。實驗表明,TEVA能夠成功收集低頻振動機械能并轉(zhuǎn)換為電能,從而實現(xiàn)自供電振動加速度監(jiān)測系統(tǒng)。TEVA的輸出電壓和電流與振動加速度在1.07rrm/s2到1.25 m/s2的范圍內(nèi)是線性變化的,因此TEVA可以被用作加速度傳感器而用于故障診斷。此外,本文還證明了 TEVA能夠給鋰電池從1.5V充電到3.1V,從而驅(qū)動帶有溫濕度傳感器的ZigBee模塊正常工作,且通過ZigBee模塊檢測到的溫度和濕度分別為22℃和35%RH。其次,由于軍事監(jiān)控或者環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的微型仿生飛行器(BMAV)自身過重的電源負載等因素,大大限制了其發(fā)展和應(yīng)用。所以,本文又設(shè)計了一種摩擦和壓電復(fù)合式的柔性納米發(fā)電機(HFNG),去共同收集BMAV撲翼的機械能。這不僅可以為飛行器自身續(xù)航,將浪費的能量變廢為寶,而且還使得BMAV變得智能,能夠去監(jiān)測一些環(huán)境因素的變化情況。在14Hz的拍機頻率下,本文所設(shè)計的HFNG能夠產(chǎn)生的最大開路電壓約為80V,短路電流約為3.0μA,相應(yīng)的瞬態(tài)功率密度為34.1mW/m2。HFNG的輸出經(jīng)整流電路后,可以成功為商用電容器充電并且點亮LED燈。此外,本文還證明了 HFNG在與BMAV機翼集成發(fā)電的同時還可以用來測試飛行器的升力大小,所以本文建立了壓電電荷量與升力的理論關(guān)系模型,通過實驗測得的壓電電荷量即可計算出升力的大小。HFNG同時也可以看作是一種自供電傳感器。實驗表明,HFNG的輸出峰值電壓與環(huán)境中的溫度、濕度、酒精濃度以及PM2.5的濃度等因素呈現(xiàn)良好的線性敏感特性。
【圖文】：

對凹槽的另外一邊使用模擬吹風(fēng)機進行吹風(fēng)，從而使得ＰＶＤＦ薄膜發(fā)生形變而產(chǎn)逡逑生壓電電荷，通過外電路形成電流。該課題組研發(fā)的用于風(fēng)能收集的ＰＶＤＦ薄膜逡逑壓電發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖如圖２－４所示。這種納米發(fā)電機的發(fā)電效率與ＰＶＤＦ薄膜逡逑的厚度、外界風(fēng)速等因素有著較大的關(guān)系。逡逑８逡逑

當(dāng)Ｋａｐｔｏｎ薄膜彎曲時，附在薄膜上的氧化鋅納米線會隨之彎曲而被拉伸，逡逑由此會在其兩端產(chǎn)生壓電電勢差。逡逑圖２－３單根氧化鋅納米發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖［２２］逡逑Ｆｉｇ邋２－３邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｓｉｎｇｌｅ邋ｚｉｎｃ邋ｏｘｉｄｅ邋ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ邋ｔ２２Ｊ逡逑以上的例子都是基于壓電半導(dǎo)體材料－氧化鋅制作而成的壓電納米發(fā)電機，，是逡逑利用氧化鋅的彎曲或者拉伸而產(chǎn)生壓電效應(yīng)，從而對外形成電流。下面將介紹基逡逑于壓電聚合物材料的壓電納米發(fā)電機。逡逑（２）基于壓電聚合物材料的納米發(fā)電機逡逑基于壓電聚合物材料的納米發(fā)電機在最近己被廣泛的報道，原因是壓電聚合逡逑物擁有良好的機械性能、環(huán)保、廉價、優(yōu)秀的加工性能以及與人體和水等良好的逡逑聲阻抗匹配等優(yōu)點。逡逑最為經(jīng)典的壓電聚合物材料是ＰＶＤＦ壓電材料。２０１０年，Ｃｈａｎｇ等人通過靜逡逑電紡絲技術(shù)制備了單根ＰＶＤＦ纖維，電紡過程中的強電場和拉伸力使得ＰＶＤＦ形逡逑成具有壓電效應(yīng)的Ｐ晶體型［２３］。在ＰＶＤＦ纖維的兩端接上電極就可以制備出這種逡逑類型的壓電納米發(fā)電機，ＰＶＤＦ纖維由于彎曲形變而產(chǎn)生壓電電勢。這種單根ＰＶＤＦ逡逑纖維的納米發(fā)電機的輸出電壓最高可達到３０ｍＶ，輸出電流可達到３ｎＡ。逡逑之后
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM31

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本文編號：2641791