本文關(guān)鍵詞：基于PDMS的柔性摩擦納米發(fā)電機的研究

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【摘要】：在人們的日常生活中,由于不同材質(zhì)相互摩擦而產(chǎn)生的靜電常常困擾著人們,因此人們都會采取各種方法來避免靜電的產(chǎn)生。然而,美國佐治亞理工學(xué)院的王中林教授小組利用摩擦起電效應(yīng)和靜電平衡的耦合作用,發(fā)明了摩擦納米發(fā)電機,這種發(fā)電機能夠?qū)⒐I(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ钪挟a(chǎn)生的機械能、風(fēng)能、水波能等能量轉(zhuǎn)換成電能。目前,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,全球能源體系面臨著巨大的危機和挑戰(zhàn)。在這個時代背景下,摩擦納米發(fā)電機的發(fā)明具有時代性的意義。在摩擦納米發(fā)電機的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)中,基于摩擦起電效應(yīng)和靜電平衡的耦合作用,電性不同的兩種摩擦材料之間會產(chǎn)生電荷感應(yīng)而使二者之間帶有等量異號的電量,從而在兩種材料之間形成電勢差;而發(fā)電機外部電路中的電子在電勢差的作用下在電極間流動。由于這種發(fā)電機是一種非常有前景的能量收集器件,可以收集周圍環(huán)境中的多種能量并同時轉(zhuǎn)換為電能,可以給無線可移動的電子器件以及小型設(shè)備提供能量。鑒于納米發(fā)電機在自驅(qū)動領(lǐng)域的潛在應(yīng)用前景,系統(tǒng)研究納米發(fā)電機的工作機理和提高其輸出性能是目前研究納米發(fā)電機的首要任務(wù),也是具有挑戰(zhàn)性的工作。在本論文中,通過實驗制備了銀(Ag)納米線,鈮酸鈉(NaNbO3)納米線以及鈮酸鈉納米塊,以基于壓電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)、摩擦起電以及靜電感應(yīng)的納米發(fā)電機,我們設(shè)計了以PDMS為基底的不同結(jié)構(gòu),不同工作原理的柔性納米發(fā)電機。主要的研究要點如下:(1)基于Ag納米線為電極的單電極摩擦納米發(fā)電機:以乙二醇做還原劑,同時使用硝酸銀以及PVP作為合成原料,采用多元醇法合成形貌均勻的、長度大約在15μm的銀(Ag)納米線,并對其進(jìn)行SEM以及XRD表征。同時,以氫氧化鈉(NaOH)和氧化鈮(Nb2O5)為原料,采用水熱法合成形貌均勻且長度在15μm左右的鈮酸鈉(NaNbO3)納米線,并對其進(jìn)行SEM以及XRD表征。將合成的Ag納米線作為電極,制備成PDMS/Ag/PDMS結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機,并通過在Ag納米線中摻入一定量的NaNbO3納米線,與PDMS/Ag/PDMS結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機做對比。利用直線電機、數(shù)據(jù)采集卡,SR570等組成的測試系統(tǒng),測試制備的柔性納米發(fā)電機。實驗結(jié)果表明,薄膜厚度為1 mm,尺寸大小為2 cm×3 cm的柔性器件,其最大電流輸出為15.5μA,最大輸出電壓為330 V,最大輸出功率為1.5 mW(0.25 mW/cm2)。最后,將基于Ag納米線做為電極的柔性納米發(fā)電機應(yīng)用在角度傳感器中。(2)基于NaNbO3納米線摻雜的PDMS復(fù)合膜的柔性納米發(fā)電機以NaOH和Nb2O5為原料,采用水熱法合成形貌均勻的NaNbO3納米塊,并對其進(jìn)行SEM以及XRD表征。將合成的NaNbO3納米塊與PDMS混合,通過刮膜法制備了不同質(zhì)量比的PDMSNaNbO3復(fù)合膜,并結(jié)合銅箔電極,組裝出柔性透明的摩擦納米發(fā)電機。對比分析了由不同質(zhì)量比PDMSNaNbO3復(fù)合膜組裝的摩擦發(fā)電機的輸出,發(fā)現(xiàn)NaNbO3的最佳摻雜為7%,器件的最大輸出電流為15μA(尺寸為2 cm×2 cm),最大輸出電壓為600 V,最大輸出功率為2 mW。同時,對器件的輸出性能得到增強的機理進(jìn)行分析。
【關(guān)鍵詞】：柔性納米發(fā)電機 PDMS 銀納米線電極 角度傳感器 NaNbO3 復(fù)合膜
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM31;TB383.1
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 緒論9-26
• 1.1 引言9-16
• 1.1.1 能源危機和挑戰(zhàn)9-10
• 1.1.2. 新型能源的發(fā)展10-16
• 1.2 傳統(tǒng)發(fā)電機16-17
• 1.3 納米發(fā)電機17-24
• 1.3.1 納米發(fā)電機簡介及分類17-24
• 1.3.2 納米發(fā)電機的研究現(xiàn)狀24
• 1.5 論文的選題背景主要研究內(nèi)容以及創(chuàng)新點24-26
• 1.5.1 論文的選題背景24-25
• 1.5.2 論文的主要內(nèi)容25
• 1.5.3 論文的創(chuàng)新點25-26
• 2 基于Ag納米線為電極的單電極摩擦納米發(fā)電機26-41
• 2.1 引言26-27
• 2.2 納米材料的合成27-29
• 2.2.1 水熱法合成NaNbO_3納米線27-28
• 2.2.2 多元醇法合成Ag納米線28-29
• 2.3 納米材料的表征29-31
• 2.3.1 Ag納米線的表征29-30
• 2.3.2 NaNbO_3納米線的表征30-31
• 2.4 基于Ag納米線為電極的單電極摩擦納米發(fā)電機制備及性能研究31-37
• 2.4.1 基于Ag納米線為電極的單電極摩擦納米發(fā)電機制備31-32
• 2.4.2 基于Ag納米線為電極的單電極摩擦納米發(fā)電機的性能研究32-36
• 2.4.3 基于Ag納米線為電極的單電極摩擦納米發(fā)電機的工作原理36-37
• 2.5 基于Ag納米線為電極的單電極納米發(fā)電機的應(yīng)用37-39
• 2.6 本章小結(jié)39-41
• 3 基于NaNbO_3納米塊摻雜的PDMS復(fù)合膜的柔性納米發(fā)電機的研究41-52
• 3.1 引言41-45
• 3.1.1 NaNbO_3納米塊的合成42-43
• 3.1.2 PDMS&NaNbO_3納米塊復(fù)合膜的制備及發(fā)電機的組裝43-44
• 3.1.3 基于PDMS&NaNbO_3復(fù)合膜的發(fā)電機的測試和表征44-45
• 3.2 實驗結(jié)果及分析45-51
• 3.2.1 實驗結(jié)果45-48
• 3.2.2 基于PDMS&NaNbO_3復(fù)合膜的摩擦發(fā)電機的工作原理48-51
• 3.3 本章小結(jié)51-52
• 4 結(jié)論與展望52-54
• 4.1 主要結(jié)論52-53
• 4.2 后續(xù)工作與展望53-54
• 致謝54-55
• 參考文獻(xiàn)55-61
• 附錄61
• A 作者在攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文61
• B 發(fā)明專利61

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本文編號：552555