摩擦納米發(fā)電機的結構設計及其在自驅動系統中的應用.pdf

1、21世紀以來，基于移動互聯技術的快速發(fā)展，物聯網“Internet of things（IoT）”成為新一代信息技術的重要組成部分和發(fā)展階段。物聯網是將互聯網和世界各地的任何東西（例如航運對象，貨物運輸商和人等）鏈接起來的技術驅動力，它需要廣泛分布的信息傳感設備，用于健康監(jiān)測，平安家居，智能交通，物流供應，環(huán)境保護，基礎設施監(jiān)測和安全等領域。驅動單個傳感器件所需要的能量是微小的，而驅動這些數以億計傳感器的能源供應是亟待解決的問題?？紤]到

2、傳統電池技術有限的壽命，高維護成本和環(huán)境問題，這不是物聯網供能的最佳解決方案。王中林院士在2006年和2012年分別發(fā)明基于壓電納米發(fā)電機和摩擦納米發(fā)電機首次提出通過從工作環(huán)境收集能量使設備自供電，并可持續(xù)地操作和運轉，從而實現自驅動系統。本論文基于摩擦納米發(fā)電技術，從自驅動系統的能源采集單元，存儲單元，電源管理系統，自驅動傳感器件，以及構建自驅動系統的探索等多個方面進行了系統的整體的開發(fā)和研究。我們堅信摩擦納米發(fā)電技術在實現自驅動化的

3、電子系統領域具有巨大的應用優(yōu)勢和前景。全文的具體研究要點如下：
　?、倌Σ良{米發(fā)電機作為自驅動系統中的能量源核心，從結構和材料兩方面對其的設計改性都是目前的重要研究開發(fā)方向。本論文中，我們從結構設計的角度出發(fā)，致力于拓展摩擦納米發(fā)電機的應用多樣性。首先，采用微米級別PTFE薄膜，設計了一種三明治口哨結構，實現對于氣流能量的收集。該氣流驅動的摩擦納米發(fā)電器件具有較高的輸出頻率特性，能夠實現近乎穩(wěn)定的電能輸出，將之巧妙的與染料敏化太陽

4、能電池結合，能夠實現對于光能和風能的同時采集。其次，通過設計一種棋盤狀的插指電極，采用PET薄膜和PTFE片作為摩擦對材料，實現了對于全方位平面運動的采集。PET薄膜的使用，避免了PTFE與電極的直接接觸摩擦，極大的延長了器件的耐久性能。通過將該器件應用在鼠標和鼠標墊構成的系統中，成功地實現了在不影響操作的情況下，對于鼠標操作的能量采集。最后，通過設計一種管狀螺旋結構的插指電極，采用PET薄膜作為保護膜和PTFE條作為摩擦材料，實現了轉

5、動和平面運動雙功能能量采集，并且該器件能夠在兩種工作模式下分別實現對于轉速和動量的自驅動探測。
　?、趯嶋H應用中，摩擦帶來的材料磨損和環(huán)境中的水汽等帶來的表面電荷屏蔽等問題一直是阻礙摩擦納米發(fā)電機實際應用的兩個重大問題，本論文中，我們從結構設計的角度輸出，以解決磨損和防水問題。首先，設計了一種管狀聯動結構，通過滾動摩擦補充非接觸自由摩擦層模式中摩擦層的表面電荷，實現高性能的超耐久摩擦納米發(fā)電機。其次，環(huán)境中的粉塵，水汽等會對摩擦納

6、米發(fā)電機產生致命性的影響，通過磁鐵對非接觸吸引作用，設計了一加一大于二的雜化發(fā)電機，其全封裝式結構實現了摩擦納米發(fā)電機在高濕度/水下等極端惡劣環(huán)境中工作的可能。
　?、勰Σ疗痣娦粌H僅在固體與固體之間，固液界面仍然存在摩擦電效應。本論文中，采用PTFE乳液處理PE管的內表面形成疏水摩擦層，利用固-液界面的摩擦電效應實現了液滴和氣泡的自驅動微流傳感器件。在該傳感器中，我們詳細地分析了傳感機理，測量了傳感器的參數特性。通過不同的毛細

7、管的使用，能夠有效地實現對于器件探測靈敏度和探測范圍等的調節(jié)。實驗中，該傳感器被展示用于醫(yī)療的輸液過程的監(jiān)控和工業(yè)生產過程中微氣流的探測和控制。
　?、茉谧则寗酉到y中，能量采集單元和能量儲存單元集成在一起以實現電能的同時轉化和儲存功能的器件被稱為自充電供能單元。本論文中，首先，采用硅橡膠和Ag納米線制備了一種超柔性可拉伸的單電極式摩擦納米發(fā)電機。采用防水砂紙和碳粉材料制備了一種可拉伸的剪紙超級電容器。將二者通過硅橡膠封裝在一個模塊

8、內實現了一種可拉伸的全封裝防水自充電供能包。其次，采用紙作為摩擦納米發(fā)電機的基底材料，利用剪紙技術設計制備了一種嵌套式的菱形結構納米發(fā)電機，能夠通過嵌套的數量在同樣的體積空間內成倍的提升其電荷輸出性能。得益于紙基的輕質性，該納米發(fā)電機具有比傳統亞克力基納米發(fā)電機近15倍的比電荷輸出特性。結合同樣紙基的超級電容器，實現了超便攜式的全紙基自充電供能單元。
　?、萦捎谀Σ良{米發(fā)電機的電容式工作輸出特性，該發(fā)電機具有高電壓，小電流和高輸出

9、阻抗等特性。因此使用電源管理單元來降低其電壓，提升其電流能夠極大地提升在使用中摩擦納米發(fā)電機的能量轉化效率。本論文中，我們在摩擦納米發(fā)電機的周期性工作過程中，設計了一種通過發(fā)電機自身機械運動對一組電容器實現在串聯狀態(tài)下充電，在切換至并聯狀態(tài)下輸出的沒有包含線圈感應器件的電源管理單元。該電源管理設計對于低頻能量狀態(tài)下工作的納米發(fā)電機具有較高能量轉化效率和高度集成化等優(yōu)點。
　?、轈u2+離子作為工業(yè)廢水中的主要重金屬離子，對于人體和