【摘要】：隨著工業(yè)社會(huì)的不斷發(fā)展,能源消耗日益增高,傳統(tǒng)化石能源的不可再生使其在未來不具有可持續(xù)性,同時(shí)化石能源的使用帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題。因此,清潔、可再生的能源的開發(fā)成為人類發(fā)展的迫切需求。摩擦納米發(fā)電機(jī)是近年來迅速發(fā)展的一種納米能源器件,其成本低,小尺寸以及結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性使其在能量收集、自供電微納系統(tǒng)以及可穿戴電子器件方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。然而,摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出功率密度不高一直是影響其實(shí)用化進(jìn)程的制約因素。本論文根據(jù)摩擦納米發(fā)電機(jī)的麥克斯韋位移電流原理和電容模型,采用調(diào)控摩擦介質(zhì)層介電性能的策略提高摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出性能,并討論其影響規(guī)律和機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn),通過在PDMS層中填充鐵電相鈦酸鋇粉體能夠有效提高PDMS基質(zhì)的電容率,并對(duì)摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出產(chǎn)生顯著的影響。測(cè)試結(jié)果表明,摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出性能隨著介質(zhì)層電容的增大而增大,并且通過極化,可以進(jìn)一步大幅提升摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出性能,論文通過極化后介質(zhì)內(nèi)部形成的內(nèi)建電勢(shì)場(chǎng),分析了介質(zhì)極化對(duì)摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出性能的增強(qiáng)機(jī)理,同時(shí)通過正反向極化的對(duì)比進(jìn)行了驗(yàn)證。正向極化(極化方向指向摩擦接觸面)時(shí),其輸出性能提升了接近75%,而當(dāng)反向極化時(shí),其輸出性能降低了將近60%。研究結(jié)果表明,摩擦介質(zhì)層的介電性能調(diào)控能夠有效的增強(qiáng)摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出性能。論文基于摩擦電效應(yīng)的位移電流原理,設(shè)計(jì)了一種類壓電行為器件。通過具有不同功函數(shù)的材料設(shè)計(jì)多層結(jié)構(gòu)器件,其可以表現(xiàn)出類似于壓電材料的電學(xué)行為。通過壓電常數(shù)測(cè)量?jī)x以及鐵電測(cè)量?jī)x的測(cè)量分析,通過器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,其d33常數(shù)可以達(dá)到26.2 pC/N。并且在壓力作用下,其開路電壓與壓力呈良好的線性關(guān)系。論文通過電滯回線研究了其異質(zhì)界面,同質(zhì)界面的極化機(jī)制,可以將電荷分離的氣孔類比于偶極子,氣孔是使器件存在剩余極化的必要條件,并且異質(zhì)界面的氣孔可以通過外加應(yīng)力使器件產(chǎn)生自發(fā)極化。通過控制界面上的中空孔的孔徑和孔間距可以有效的改善器件的輸出性能。
【圖文】：

很多措施來避免靜電的積累，以防止危害。譬如汽車尾部會(huì)安裝有將靜電導(dǎo)入大地。逡逑在生產(chǎn)生活中是一把雙刃劍，在存在危害的同時(shí)也可以被應(yīng)用，譬］，具有涂料利用率高，污染小的優(yōu)勢(shì)；利用靜電可以用來進(jìn)行顆粒分分類回收［ｗ］；靜電吸塵器可以過濾普通吸塵器無法過濾的的細(xì)小灰電引發(fā)的危害可以看出，其中蘊(yùn)含著巨大的能量，靜電的產(chǎn)生其實(shí)的一種表現(xiàn)方式，在機(jī)械能中，除有用功外的能量都很多都被轉(zhuǎn)換如果能將這一部分能量收集利用起來的話，這將是一個(gè)無窮的寶庫。姆胡斯特起電機(jī)（圖ｌ－ｌ（ｂ）），開爾文滴水起電機(jī)（圖ｌ－ｌ（ｃ））等就集存儲(chǔ)的最早探索，１９２９年范德格拉夫發(fā)明了范德格拉夫起電機(jī)（這個(gè)裝置能夠生成數(shù)百萬伏的高壓，在回旋力口速器出現(xiàn)之前，范德一直被作為加速器高壓提供源。逡逑

１．２．１摩擦電納米發(fā)電機(jī)基本原理逡逑王中林教授［８］在２０１２年首次展示了利用ＰＥＴ和聚酰亞胺的摩擦起電及靜電逡逑耦合效應(yīng)的能量收集器件（圖１－２），并命名為摩擦電納米發(fā)電機(jī)（ＴＥＮＧｓ）。這逡逑種新型的器件可以提供３．３邋Ｖ的輸出電壓，，功率密度達(dá)到１０．４邋ｍＷ／ｃｍ３。雖然輸逡逑出并不大，但這種新型的器件給靜電能量的收集利用提供了一個(gè)全新的思路，自逡逑此之后大量研究人員對(duì)這種新型器件的工作機(jī)制做出了細(xì)致的研究，并對(duì)其應(yīng)用逡逑范圍作了極大的擴(kuò)展。比起傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式發(fā)電機(jī)，摩擦電納米發(fā)電機(jī)在體積逡逑上要小很多，其功率密度比傳統(tǒng)電磁感應(yīng)式發(fā)電機(jī)要大。因此在一些特定場(chǎng)合下，逡逑摩擦電納米發(fā)電機(jī)能顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)其制作所需要的材料簡(jiǎn)易，成本逡逑低廉也是其很大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。逡逑ｂ邋邐逡逑。丨逡逑｜邋Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ邋￣逡逑°ＳＳＱ逡逑圖１－２摩擦電納米發(fā)電機(jī)工作示意圖（ａ）摩擦電納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)測(cè)試示意圖與逡逑實(shí)物（ｂ）摩擦電納米發(fā)電機(jī)電荷轉(zhuǎn)移示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｗｏｒｋｉｎｇ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ＴＥＮＧｓ邋（ａ）邋Ｔｈｅ邋Ｓｋｅｔｃｈ邋ａｎｄ邋ｏｂｊｅｃｔ邋ｏｆ逡逑Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ邋ｔｅｓｔ邋ｏｆ邋ＴＥＮＧｓ邋（ｂ）邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｃｈａｒｇｅ邋ｔｒａｎｓｆｅｒ邋ｏｆ邋ＴＥＮＧｓ．逡逑摩擦電納米發(fā)電機(jī)本質(zhì)上利用的是摩擦起電和靜電感應(yīng)相耦合的效果，由于逡逑不同材料的電負(fù)性不同
【學(xué)位授予單位】：廈門大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM31

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本文編號(hào)：2610208