本文關(guān)鍵詞：PDMS基摩擦電納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)理及影響因素研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：環(huán)境中蘊(yùn)含豐富的相對能量較小、運(yùn)動幅度不大、不規(guī)則的機(jī)械能,傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)無法有效實(shí)現(xiàn)這類能量的收集利用。摩擦電納米發(fā)電機(jī)(TENG)是基于摩擦生電和靜電感應(yīng)復(fù)合原理將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的一種新型能源獲取方式。本文在理論研究的基礎(chǔ)上,采用模板法制備了多種織構(gòu)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜,組裝成PDMS基的TENG并研究了其電輸出機(jī)理及影響因素,最后并借助等離子體處理(ICP)和添加納米顆粒等方式對PDMS膜進(jìn)行調(diào)控處理,具體工作及結(jié)果如下:首先,采用旋涂法在硅模板上制備了多種織構(gòu)的PDMS膜,利用ICP對光滑PDMS膜、PDMS膜微柱陣列表面進(jìn)行刻蝕處理,并借助掃描電子顯微鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)進(jìn)行表征,結(jié)果表明,光滑PDMS膜厚度為250μm,表面均勻平坦,粗糙度為0.837 nm,PDMS微柱陣列高度為30μm。其次,借助Matlab軟件對開路電壓-轉(zhuǎn)移電荷-距離(V-Q-X)關(guān)系進(jìn)行模擬分析,并對光滑PDMS膜進(jìn)行電輸出測試,結(jié)果表明,開路電壓(Voc)和短路電流(Isc)分別為2.8 V和0.24μA,呈交流特性且隨著載荷的增加,TENG的電輸出先準(zhǔn)線性增加,再表現(xiàn)出飽和的趨勢。再次,實(shí)驗(yàn)研究了接觸區(qū)表面積、外加載荷對TENGs輸出性能的影響。結(jié)果表明,圓形微柱陣列的存在有效增加了TENG的作用面積,提高其電輸出性能,相同載荷下,電輸出隨微柱間距離減小而增加,在間距為15μm、載荷為5 N時(shí),輸出的平均開路電壓和短路電流分別為88 V和15μA,是同等條件下、微柱間距為50μm電輸出的1.5倍以上;電輸出隨載荷增加呈準(zhǔn)線性增加。ANSYS軟件模擬了PDMS微圓柱織構(gòu)在載荷作用下的變形行為,結(jié)果表明,壓力作用下,微圓柱主要發(fā)生壓縮變形,基底的變形導(dǎo)致微柱與上電極之間產(chǎn)生側(cè)向摩擦,從而產(chǎn)生更多電荷,提升了電輸出性能。最后,對PDMS膜表面進(jìn)行了ICP處理,研究了刻蝕功率、時(shí)間等因素對PDMS膜表面形貌及電輸出性能的影響。結(jié)果表明,ICP處理對TENG的電輸出提升具有明顯的效果,采用氬氣處理時(shí),對于光滑PDMS膜,當(dāng)功率為60%、刻蝕5 min時(shí)處理效果最佳,電輸出相比于光滑PMDS膜提升了2.6倍以上;織構(gòu)表面ICP復(fù)合處理結(jié)果表明,Voc從42 V增加到72 V,Isc從4.2μA增加到8.3μA,相比于光滑PDMS膜提升了3.6倍以上。氬氣ICP處理具有時(shí)效性,ICP處理后的光滑PDMS膜在保存3個(gè)月后的電輸出性能下降35%。銅納米顆粒對TENGs的電輸出測試結(jié)果表明,銅納米顆粒添加時(shí)可以改善TENGs的電輸出特性,當(dāng)納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí),電輸出最高,Voc和Isc分別為6.8 V和0.56μA,較純PDMS的輸出性能提升了2.33倍;電輸出與載荷呈準(zhǔn)線性增加。
【關(guān)鍵詞】：摩擦電納米發(fā)電機(jī) 摩擦生電 PDMS 微柱 ICP 復(fù)合處理
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM31
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-25
• 1.1 引言12-13
• 1.2 納米發(fā)電機(jī)研究進(jìn)展13-23
• 1.2.1 壓電納米發(fā)電機(jī)13-16
• 1.2.2 摩擦電納米發(fā)電機(jī)16-19
• 1.2.3 TENGs的主要分類19-23
• 1.3 本論文研究內(nèi)容23-25
• 第二章 摩擦電納米發(fā)電機(jī)的制備方法及性能測試25-37
• 2.1 實(shí)驗(yàn)材料25-27
• 2.2 實(shí)驗(yàn)儀器27-28
• 2.3 實(shí)驗(yàn)方法28-29
• 2.3.1 基底處理28
• 2.3.2 光滑PDMS膜制備28
• 2.3.3 PDMS膜微柱陣列制備28
• 2.3.4 PDMS膜的等離子體表面處理28-29
• 2.3.5 添加銅、碳納米管、氧化鋁納米顆粒的PDMS膜制備29
• 2.4 PDMS膜形貌表征及厚度測量方法29-30
• 2.4.1 掃描電子顯微鏡測試29-30
• 2.4.2 光學(xué)輪廓儀測試30
• 2.4.3 原子力顯微鏡測試30
• 2.5 PDMS膜形貌表征和厚度效果30-32
• 2.6 PDMS膜表面三維輪廓儀形貌圖32-36
• 2.7 本章小結(jié)36-37
• 第三章 摩擦電納米發(fā)電機(jī)輸出性能的影響因素37-50
• 3.1 引言37
• 3.2 TENGs的工作機(jī)理37-39
• 3.3 TENGs的V-Q-X關(guān)系39-47
• 3.4 光滑PDMS膜電輸出性能47-49
• 3.5 本章小結(jié)49-50
• 第四章 表面織構(gòu)對摩擦電納米發(fā)電機(jī)電輸出性能的影響50-63
• 4.1 引言50
• 4.2 基于織構(gòu)表面的TENG制備及輸出性能測試方法50-52
• 4.2.1 TENG的制備50-51
• 4.2.2 TENG輸出性能測試方法51-52
• 4.3 微柱陣列表面載荷分布與變形分析52-56
• 4.3.1 有限元介紹52
• 4.3.2 模型簡化及網(wǎng)格劃分52-53
• 4.3.3 微柱陣列受力變形分析53-56
• 4.4 織構(gòu)表面TENG工作機(jī)理56-57
• 4.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析57-62
• 4.5.1 微柱面積占有率對TENG電輸出的影響57-60
• 4.5.2 載荷對TENG電輸出的影響60-61
• 4.5.3 TENG電輸出的穩(wěn)定性61-62
• 4.6 本章小結(jié)62-63
• 第五章 復(fù)合處理對摩擦電納米發(fā)電機(jī)輸出性能研究63-76
• 5.1 引言63
• 5.2 ICP表面處理對TENG電輸出的影響63-70
• 5.2.1 ICP處理時(shí)間對TENG電輸出的影響63-65
• 5.2.2 ICP處理功率對TENG輸出性能的影響65-68
• 5.2.3 ICP處理對電輸出穩(wěn)定性能的影響68
• 5.2.4 ICP處理對微柱陣列TENG電輸出的影響68-70
• 5.3 添加銅納米顆粒復(fù)合膜實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析70-75
• 5.3.1 添加納米顆粒種類對TENG電輸出性能的影響70-71
• 5.3.2 銅納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對TENG電輸出的影響71-74
• 5.3.3 載荷對TENG電輸出的影響74-75
• 5.4 本章小結(jié)75-76
• 第六章 結(jié)論及展望76-78
• 6.1 論文結(jié)論76-77
• 6.2 工作展望77-78
• 參考文獻(xiàn)78-85
• 致謝85-86
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和專利86

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本文編號：334118