【摘要】：傳統(tǒng)化石能源的短缺已經(jīng)引起當(dāng)今社會(huì)的普遍關(guān)注,尋找和發(fā)展可持續(xù)、可再生的新能源是世界各國(guó)共同關(guān)心的問(wèn)題。機(jī)械能作為一種可再生能源,廣泛地存在于我們?nèi)粘５纳瞽h(huán)境中,因此將環(huán)境中的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能被認(rèn)為是一種很有前途的可再生能源技術(shù)。摩擦納米發(fā)電機(jī)是一種基于摩擦起電和靜電感應(yīng)原理將環(huán)境中的機(jī)械能有效地轉(zhuǎn)化為電能的新型能量轉(zhuǎn)化方法。在摩擦納米發(fā)電機(jī)中,吸引電子能力不同的兩種材料相互接觸時(shí)會(huì)發(fā)生表面電荷轉(zhuǎn)移,兩個(gè)帶電表面周期性的接觸和分離可以驅(qū)動(dòng)電子在外部電路中流動(dòng),從而產(chǎn)生電能。近年來(lái),摩擦納米發(fā)電機(jī)在能量收集和自供電的個(gè)人電子器件等方面得到了快速發(fā)展,然而摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出性能指標(biāo)還有待進(jìn)一步地提升。本論文以聚四氟乙烯(Polytetrafiuoroethylene,PTFE)、Al箔、Cu箔等材料為基礎(chǔ),制備出了不同結(jié)構(gòu)及不同工作模式的摩擦納米發(fā)電機(jī),并且對(duì)它們的輸出性能及應(yīng)用進(jìn)行了研究。主要的研究及結(jié)果如下:(1)多孔PTFE薄膜的構(gòu)筑及其在摩擦納米發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用。以去離子水為軟模板,采用簡(jiǎn)便的方法制備出了海綿狀多孔結(jié)構(gòu)的PTFE高分子薄膜,構(gòu)建了一種基于多孔PTFE薄膜的柔性單電極摩擦納米發(fā)電機(jī)。通過(guò)制備不同孔隙率的PTFE薄膜,研究了孔隙率對(duì)薄膜輸出性能的影響。結(jié)果表明,去離子水的體積比為50%時(shí),PTFE薄膜達(dá)到最佳孔隙率,且開(kāi)路電壓能夠達(dá)到5.1 V。在相同的振蕩條件下,多孔結(jié)構(gòu)的PTFE薄膜能夠提高摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出性能。所制作的摩擦納米發(fā)電機(jī)能夠從人體活動(dòng)中收集機(jī)械能,且產(chǎn)生的電能可以瞬間驅(qū)動(dòng)5個(gè)發(fā)光二極管。本研究工作為提升摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出性能和發(fā)展自供電的個(gè)人電子器件提供了重要的理論支撐和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。(2)基于氣流驅(qū)動(dòng)的摩擦納米發(fā)電機(jī)的構(gòu)建及應(yīng)用。開(kāi)發(fā)了一種基于氣流驅(qū)動(dòng)的柔性摩擦納米發(fā)電機(jī),這種摩擦納米發(fā)電機(jī)能夠?qū)⑷梭w呼吸的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電輸出信號(hào)并用于自供電的實(shí)時(shí)呼吸監(jiān)測(cè)。摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作是基于氣流驅(qū)動(dòng)柔性納米結(jié)構(gòu)的PTFE薄膜在亞克力管中的振動(dòng)。在人體不同呼吸狀態(tài)的氣流能量驅(qū)動(dòng)下,這種摩擦納米發(fā)電機(jī)可以產(chǎn)生相應(yīng)的實(shí)時(shí)電信號(hào)。研究發(fā)現(xiàn),在不需要任何外部電源的供電下,基于這種摩擦納米發(fā)電機(jī)的呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以提供一種定量測(cè)量人體呼吸行為的方法。在此摩擦納米發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)了一種智能無(wú)線呼吸監(jiān)測(cè)警報(bào)系統(tǒng)。當(dāng)人體呼吸停止5秒,該系統(tǒng)可以無(wú)線觸發(fā)警報(bào)燈或撥打手機(jī)以提供及時(shí)的警報(bào)。本研究工作為開(kāi)發(fā)自供電的實(shí)時(shí)呼吸監(jiān)測(cè)設(shè)備提供了一種很有前途的解決方案。
【圖文】：

圖 1.1 基于原子力顯微鏡針尖和 ZnO nanowires 發(fā)電的裝置示意圖[5 年，摩擦納米發(fā)電機(jī)（tribelectric nanogenerator，TENG）作轉(zhuǎn)換裝置首次問(wèn)世。摩擦納米發(fā)電機(jī)基于摩擦起電和靜電感環(huán)境中的機(jī)械能并轉(zhuǎn)化為電能。如圖 1.2 所示，F(xiàn)an 等人通過(guò)ton）薄膜和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene terephthala，并在它們的背表面鍍 Au 作為電極，通過(guò)外部負(fù)載連接兩個(gè)了一個(gè)摩擦納米發(fā)電機(jī)[7]。當(dāng)外力驅(qū)使裝置發(fā)生機(jī)械彎曲時(shí)，接觸面會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)并產(chǎn)生摩擦現(xiàn)象，使二者的接觸面帶。由于靜電感應(yīng)原理，二者相對(duì)應(yīng)的Au電極上會(huì)分別感應(yīng)出異在外部電路中流動(dòng)從而產(chǎn)生輸出電流。當(dāng)去除外力時(shí)，兩種原來(lái)的形狀使得摩擦電荷發(fā)生中和，電子會(huì)反向流動(dòng)并產(chǎn)生在外力周期性的作用下，該裝置可以產(chǎn)生持續(xù)的交流電信號(hào)

.1 基于原子力顯微鏡針尖和 ZnO nanowires 發(fā)電的裝置示意，摩擦納米發(fā)電機(jī)（tribelectric nanogenerator，TENG裝置首次問(wèn)世。摩擦納米發(fā)電機(jī)基于摩擦起電和靜中的機(jī)械能并轉(zhuǎn)化為電能。如圖 1.2 所示，F(xiàn)an 等人薄膜和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene terepht在它們的背表面鍍 Au 作為電極，通過(guò)外部負(fù)載連接個(gè)摩擦納米發(fā)電機(jī)[7]。當(dāng)外力驅(qū)使裝置發(fā)生機(jī)械彎曲面會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)并產(chǎn)生摩擦現(xiàn)象，使二者的接觸于靜電感應(yīng)原理，，二者相對(duì)應(yīng)的Au電極上會(huì)分別感應(yīng)部電路中流動(dòng)從而產(chǎn)生輸出電流。當(dāng)去除外力時(shí)，的形狀使得摩擦電荷發(fā)生中和，電子會(huì)反向流動(dòng)并力周期性的作用下，該裝置可以產(chǎn)生持續(xù)的交流電信
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM31;TB383.2

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