本文關(guān)鍵詞：基于雙面微納尺度結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī)的制備及其性能研究

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【摘要】：納米發(fā)電機(jī)是一種基于納米材料,能夠?qū)⑽⑿⌒巫兓蛘邷囟茸兓a(chǎn)生能量轉(zhuǎn)化為電能,為一些微小型設(shè)備進(jìn)行供電的電學(xué)器件。納米發(fā)電機(jī)可以收集能量的來(lái)源十分廣泛,例如肢體運(yùn)動(dòng)、環(huán)境中的噪聲、自然界中的風(fēng)能、水能、溫差變化等,與此同時(shí),納米發(fā)電機(jī)還具有成本低、尺寸小、重量輕等特點(diǎn),其中摩擦納米發(fā)電機(jī)是一種基于摩擦起電現(xiàn)象和靜電感應(yīng)現(xiàn)象,利用兩種材料之間摩擦起電產(chǎn)生的電荷分離和感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電勢(shì)差驅(qū)動(dòng)外接電路中自由電子的流動(dòng),進(jìn)而將外界環(huán)境中材料的接觸分離或者摩擦產(chǎn)生的機(jī)械能收集起來(lái)并轉(zhuǎn)化成電能的電學(xué)器件。本文提出了一種基于雙面微納尺度結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī),其中通過(guò)模板轉(zhuǎn)移法制備了具有微納尺度結(jié)構(gòu)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜作為發(fā)電機(jī)的摩擦層,在摩擦層的制備過(guò)程中,采用兩步法制備了具有微納尺度結(jié)構(gòu)的硅模板,第一步利用光刻工藝和濕法腐蝕工藝制備了具有微米尺度倒金字塔圖形的硅模板,第二步采用金屬催化化學(xué)腐蝕的方法在倒金字塔結(jié)構(gòu)上制備了納米尺度的多孔結(jié)構(gòu),最后通過(guò)模板轉(zhuǎn)移法,將硅模板上的微納尺度結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到PDMS薄膜上,制備了具有微納尺度結(jié)構(gòu)的PDMS摩擦層。此外,本文采用光刻和濕法腐蝕工藝,制備了具有立方矩陣結(jié)構(gòu)的剛性覆銅板(RCCL)作為發(fā)電機(jī)的電極層。將PDMS固定于具有一定機(jī)械彈性的弓形的聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜上,用Kapton膠帶將兩端貼合,電極層通過(guò)焊接銅導(dǎo)線與外電路相連,封裝成摩擦納米發(fā)電機(jī)。本文提出的這種基于雙面微納尺度結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī)的峰值輸出電壓和和輸出電流分別為600 V和156μA,輸出功率為93.6 mW,電流密度為173.3mA/cm~2,輸出功率密度為104 W/m~2。在負(fù)載為4 MΩ的情況下,摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出功率達(dá)到最大,其值為16.38 mW,功率密度為18.2 W/m~2,該發(fā)電機(jī)可以成功驅(qū)動(dòng)240顆直插式LED燈珠,同時(shí)可以驅(qū)動(dòng)一塊商用液晶屏,使其屏幕上的顯示內(nèi)容保持長(zhǎng)達(dá)5s。本文提出的這種基于雙面微納尺度結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī)具有雙層摩擦結(jié)構(gòu),且PDMS摩擦層表面和RCCL電極層表面均具有微納尺度結(jié)構(gòu)。對(duì)比于單層摩擦結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī),其輸出電壓和電荷量均提高了1.2倍和0.82倍。對(duì)比于雙面均無(wú)微納尺度結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī),該發(fā)電機(jī)的輸出電壓提高了4倍,輸出電流提高了6.42倍,輸出功率提高35.11倍了,輸出電荷量提高了6.85倍。在連續(xù)工作6000次和連續(xù)工作10周的情況下,本文提出的摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出電壓未發(fā)生明顯變化,其峰值仍維持在600 V左右。與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)相比較,本文提出的基于雙面微納尺度結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī)具有諸多優(yōu)點(diǎn)。首先,摩擦材料表面的粗糙度對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出性能起到至關(guān)重要的作用,摩擦表面越粗糙,則發(fā)電機(jī)的輸出性能越好,因此我們通過(guò)模板轉(zhuǎn)移工藝和光刻腐蝕工藝分別在摩擦層和電極層制作了微納尺度的圖形,以增大摩擦表面的粗糙度,進(jìn)而提高發(fā)電機(jī)的輸出性能。與此同時(shí),該發(fā)電機(jī)具有兩個(gè)摩擦層,因此可以實(shí)現(xiàn)雙倍的電學(xué)輸出。其次,中間RCCL材料上的Cu既可以作為摩擦層,同時(shí)也可以作為電極層,可以直接進(jìn)行電荷輸出,同時(shí)剛性覆銅板具備良好的機(jī)械性能,使其更易加工。此外,在有機(jī)物上制備金屬等導(dǎo)電材料是十分困難的,工藝復(fù)雜且質(zhì)量不好,該發(fā)電機(jī)的上下兩層RCCL可以直接作為發(fā)電機(jī)的正極,而無(wú)需在PET上制備金屬、ITO等導(dǎo)電電極,同時(shí)可以分散作用于發(fā)電機(jī)的外力,使摩擦層充分接觸。綜上所述,本文提出的基于雙面微納尺度結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī)具有電學(xué)輸出性能高,機(jī)械性能好,工藝簡(jiǎn)單,壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
【關(guān)鍵詞】：摩擦納米發(fā)電機(jī) 光刻 濕法腐蝕 金屬催化化學(xué)腐蝕
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM31
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 緒論9-23
• 1.1 引言9
• 1.2 新能源的發(fā)展9-13
• 1.3 納米發(fā)電機(jī)13-21
• 1.3.1 壓電納米發(fā)電機(jī)13-14
• 1.3.2 熱電納米發(fā)電機(jī)14-16
• 1.3.3 摩擦納米發(fā)電機(jī)16-21
• 1.4 本文選題思路與研究?jī)?nèi)容21-23
• 第二章 摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作原理及其制備工藝23-31
• 2.1 絕緣體-金屬接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作原理23-24
• 2.2 光刻工藝24-26
• 2.3 硅材料濕法腐蝕工藝26-28
• 2.4 硅材料金屬催化化學(xué)腐蝕工藝28-31
• 第三章 基于雙面微納尺度結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī)的制備31-53
• 3.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備31-33
• 3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)33-35
• 3.3 理論分析35-36
• 3.4 仿真分析及工作機(jī)制36-39
• 3.5 摩擦層的制備39-48
• 3.5.1 具有微納雙重結(jié)構(gòu)硅模板的制備39-46
• 3.5.2 具有微納雙重結(jié)構(gòu)PDMS薄膜的制備46-48
• 3.6 電極層的制備48-50
• 3.7 摩擦納米發(fā)電機(jī)的組裝50-51
• 3.8 本章小結(jié)51-53
• 第四章 基于雙面微納尺度結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī)的性能測(cè)試與分析53-65
• 4.1 測(cè)試系統(tǒng)53
• 4.2 輸出性能。53-54
• 4.3 雙層摩擦結(jié)構(gòu)輸出性能增強(qiáng)特性的研究54-56
• 4.4 雙面微納尺度結(jié)構(gòu)輸出性能增強(qiáng)特性的研究56-59
• 4.5 負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力59-60
• 4.6 老化測(cè)試60-62
• 4.7 器件驅(qū)動(dòng)能力62-64
• 4.8 本章小結(jié)64-65
• 第五章 總結(jié)與展望65-68
• 5.1 研究工作的總結(jié)65-66
• 5.2 研究工作的展望66-68
• 參考文獻(xiàn)68-73
• 在學(xué)期間的研究成果73-74
• 致謝74

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