基于PDMS的柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)的研究.pdf_第1頁
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1、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(huì)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(jī),這種發(fā)電機(jī)能夠?qū)⒐I(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘I钪挟a(chǎn)生的機(jī)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(jī)和挑戰(zhàn)。在這個(gè)時(shí)代背景下,摩擦納米發(fā)電機(jī)的發(fā)明具有時(shí)代性的意義。在摩擦納米發(fā)電機(jī)的內(nèi)部電

2、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(huì)產(chǎn)生電荷感應(yīng)而使二者之間帶有等量異號(hào)的電量,從而在兩種材料之間形成電勢(shì)差;而發(fā)電機(jī)外部電路中的電子在電勢(shì)差的作用下在電極間流動(dòng)。由于這種發(fā)電機(jī)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(shí)轉(zhuǎn)換為電能,可以給無線可移動(dòng)的電子器件以及小型設(shè)備提供能量。鑒于納米發(fā)電機(jī)在自驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用前景,系統(tǒng)研究納米發(fā)電機(jī)的工作機(jī)理和提高其輸出性能是目前研究

3、納米發(fā)電機(jī)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(shí)驗(yàn)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(jī),我們?cè)O(shè)計(jì)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(jī)。主要的研究要點(diǎn)如下:
 ?、倩贏g納米線為電極的單電極摩擦納米發(fā)電機(jī):
  以乙二醇做還原劑,同時(shí)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(zhǎng)

4、度大約在15μm的銀(Ag)納米線,并對(duì)其進(jìn)行SEM以及XRD表征。同時(shí),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(zhǎng)度在15μm左右的鈮酸鈉(NaNbO3)納米線,并對(duì)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(jī),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(jī)做對(duì)比。利用直線電機(jī)、數(shù)據(jù)采集

5、卡,SR570等組成的測(cè)試系統(tǒng),測(cè)試制備的柔性納米發(fā)電機(jī)。實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jī)
  以NaOH和Nb2O5為原料,采用水熱法合成形貌

6、均勻的NaNbO3納米塊,并對(duì)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PDMS&NaNbO3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(jī)。對(duì)比分析了由不同質(zhì)量比PDMS&NaNbO3復(fù)合膜組裝的摩擦發(fā)電機(jī)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(shí),對(duì)器件的輸出

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