大自然環(huán)境中廣泛存在很多非常容易被人們所忽略的能量,例如人體運動能、機械振動能、風(fēng)能、波浪能。因此,基于現(xiàn)階段可持續(xù)能源的發(fā)展,如何有效地采集上述微小能源已經(jīng)成為近年來的研究熱點。2012年王中林院士課題組摩擦納米發(fā)電機的成功研制為微能源采集技術(shù)提供了新思路。其工作原理是通過兩種不同摩擦電極序的材料接觸后產(chǎn)生的表面靜電荷在外力的作用下所形成的電勢差變化所引起外部交流電信號。摩擦納米發(fā)電機的工作原理簡單、摩擦材料多樣,可以廣泛應(yīng)用于收集人體運動機械能、波浪能、風(fēng)能等多種形式的微小能源。然而,內(nèi)阻高、開路電壓大、短路電流小,致使其收集的能量無法得到高效率的輸出,所以本文將通過電介質(zhì)材料優(yōu)化和雙尖結(jié)構(gòu)性能分析兩個方面來進(jìn)一步改善摩擦納米發(fā)電機的輸出性能。通過對摩擦納米發(fā)電機的工作模式、電容理論模型等理論的分析,從如何提高表面摩擦電荷密度出發(fā),提出了兩種提高摩擦納米發(fā)電機輸出性能的途徑。第一種是通過提高電介質(zhì)材料相對介電常數(shù),探索提高摩擦納米發(fā)電機的電學(xué)輸出性能的方法。第二種是通過減少電介質(zhì)材料有效厚度,探索提高摩擦納米發(fā)電機的電學(xué)輸出性能的方法。并且通過上述兩種方法得到的摩擦材料與摩擦正性材... 

【文章來源】：中北大學(xué)山西省

【文章頁數(shù)】：71 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

能源發(fā)展趨勢圖

?納器件等功能化應(yīng)用。具有高輸出性能的柔性壓電納米發(fā)電機是能量獲取的理想選擇�；趬弘姴牧系娜嵝约{米發(fā)電機作為驅(qū)動便攜式電子設(shè)備、無線設(shè)備或植入式醫(yī)療設(shè)備的新型電源已被廣泛研究[8-12]。然而，柔性壓電聚合物[例如聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)]具有壓電系數(shù)低的缺點，而壓電陶瓷[例如具有較大壓電系數(shù)的BaTiO3(BT)、Pb(Zr、Ti)O3(PZT)、(K、Na)NbO3(KNN)]等具有脆性的缺陷。因此，將壓電陶瓷填料與柔性聚合物相結(jié)合，構(gòu)建柔性高性能的壓電摩擦納米發(fā)電機[12-17]具有越來越大的吸引力。如圖1-2所示，上海交大研究組最近在C/BT納米復(fù)合氣凝膠紙的基礎(chǔ)上，通過對復(fù)合纖維素紙的溶解和再生，制備了一種新型的柔韌型氣凝膠紙。壓電性能受益于三維纖維素網(wǎng)絡(luò)，這有助于高BT負(fù)載、均勻的BT分散性和增強的納米復(fù)合材料楊氏模量�；贑/BT-5的壓電納米發(fā)電機可以產(chǎn)生15.5V的電壓和11.8μW的功率[18]。圖1-2基于壓電納米發(fā)電機的C/BT氣凝膠紙的制造過程示意圖(Figure1-2SchematicofthefabricationprocessofaC/BTaerogelpaperbasedpiezoelectricnanogenerators.)2）使用納米技術(shù)的能量收集和轉(zhuǎn)換設(shè)備最近受到越來越多的關(guān)注，因為它們可能在構(gòu)建和驅(qū)動自供電納米設(shè)備和納米系統(tǒng)方面發(fā)揮重要作用[19-25]。摩擦過程中產(chǎn)生的感應(yīng)電荷在科學(xué)研究或技術(shù)應(yīng)用中通常被稱為負(fù)面影響，并且在許多情況下它們的能量都是浪費的。然而2012年，如圖1-3，佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院王中林研究團(tuán)隊提出了使用摩擦中的充電過程將機械能轉(zhuǎn)換為電能以驅(qū)動小型電子設(shè)備的簡單，低成本且有效的方法。摩擦發(fā)電機是通過堆疊兩塊聚合物板制成的，該聚合物板由具有明顯

戀縑匭緣牟牧現(xiàn)瞥桑?鶚裟こ粱?謐樽敖峁溝畝ゲ亢偷撞懇宰魑?緙?Ｒ壞?受到機械變形，由于納米級表面粗糙度，兩層膜之間的摩擦在兩側(cè)產(chǎn)生相等數(shù)量但相反的電荷。因此，在界面區(qū)域形成了摩擦電勢層，如果系統(tǒng)的電容發(fā)生變化，則該摩擦電勢層將用作電荷“泵”，以驅(qū)動外部負(fù)載中電子的流動。這種柔性聚合物摩擦發(fā)電機的最大輸出電壓為3.3V。功率密度為~10.4mW/cm3。摩擦發(fā)電機具有從人類活動、旋轉(zhuǎn)輪胎、海浪、機械振動等獲取能量的潛力，在個人電子、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療科學(xué)甚至大規(guī)模電力的自供電系統(tǒng)中有著巨大的應(yīng)用[26]。圖1-3彎曲和釋放過程中集成發(fā)電機的結(jié)構(gòu)；柔性摩擦發(fā)電機和其機械彎曲時的圖像(Figure1-3Thestructureofanintegratedgeneratorinbendingandreleasingprocess.Photographicimagesofaflexibletriboelectricgeneratorandmechanicalbendingequipment.)摩擦納米發(fā)電機（TENG）是可將外界機械能轉(zhuǎn)換為電能的新型能源采集器件，具有原理簡單、結(jié)構(gòu)巧妙、成本較低等特點。摩擦納米發(fā)電機的理論來源是麥克斯韋位移電流，是摩擦起電和靜電感應(yīng)兩種原理的結(jié)合。兩種摩擦電極序不同的材料接觸后所產(chǎn)生的感應(yīng)電荷，在外界機械力的作用下所形成的電勢差驅(qū)動電子在外部電路流動，從而實現(xiàn)將摩擦能量轉(zhuǎn)換成電能。如表1-1列出了一些常用材料的摩擦電極序的排序。從表中可以看出，對于摩擦納米發(fā)電機的制備，只要選擇兩種不同摩擦電極序的材料，就可以得到簡易的摩擦納米發(fā)電機。與此同時，為保證摩擦電荷能夠較長時間的聚集在材料表面，摩擦納米發(fā)電機的兩個接觸材料中，至少一種是絕緣體�？梢钥闯�，摩擦納米發(fā)電機具有工作原理簡單、摩擦材料種類眾多等優(yōu)點。而對于摩擦納米發(fā)電機的應(yīng)用環(huán)境，不僅可以收集手機的觸摸、鍵盤的敲擊時的能量、水低

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號：3587881