固液雙相摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）是一種新型的能源采集器件,相比于傳統(tǒng)的固相摩擦納米發(fā)電機(jī),固液雙相的耦合能夠極大地改善TENG的輸出特性、使用壽命、摩擦特性、磨損與老化性能。本課題采用聚四氟乙烯（PTFE）作為固態(tài)摩擦層表面摩擦材料,用靜電紡絲PCL作為固態(tài)摩擦層結(jié)構(gòu)材料,采用共晶鎵銦液態(tài)合金作為液態(tài)摩擦層材料,首先通過去離子水煮沸、氯化鈉溶液煮沸的方式對(duì)鎵銦液態(tài)合金進(jìn)行表面處理,觀察對(duì)比前后液態(tài)合金表面形貌,分析處理過程中溶液狀態(tài)對(duì)反應(yīng)過程的影響,然后根據(jù)第一性原理對(duì)固液雙相摩擦過程進(jìn)行分析,并利用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)器件工作過程進(jìn)行有限元模擬分析。未經(jīng)處理的共晶鎵銦合金表面包裹著Ga2O3,通過去離子水煮沸和氯化鈉溶液煮沸兩種表面處理方式,改變液態(tài)金屬表面氧化物和形貌。在一定時(shí)間內(nèi)通過去離子水或Na Cl溶液煮沸會(huì)在表面生成白色棒狀晶體,在用去離子水煮沸處理時(shí),鎵銦合金表面會(huì)產(chǎn)生胞狀Ga OOH團(tuán)簇;在用Na Cl溶液煮沸時(shí),增加Na Cl濃度,Ga OOH晶體形貌會(huì)由棒狀結(jié)團(tuán)為胞狀進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則的長(zhǎng)方體正方體狀。另外,在表面處理過程中,溶液沸騰狀態(tài)等反應(yīng)... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

納米發(fā)電機(jī)的工作原理：隨著接觸周期的增加，輸出電流也隨之增加[19]

醇觳餿?何帶電的物體。（4）獨(dú)立層模式：在自然界中，運(yùn)動(dòng)物體由于和空氣或其他物體的接觸，通常都會(huì)帶電，就像我們的鞋子在地板上走路也會(huì)帶電。因?yàn)椴牧媳砻娴碾姾擅芏葧?huì)達(dá)到飽和，而且這種靜電荷會(huì)在表面保留至少幾小時(shí)，所以在這段時(shí)間并不需要持續(xù)的接觸和摩擦。如果在介電層的背面分別鍍兩個(gè)不相連的對(duì)稱電極，電極的大小及其間距與移動(dòng)物體的尺寸在同一量級(jí)，那么這個(gè)帶電物體在兩個(gè)電極之間的往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)使兩個(gè)電極之間產(chǎn)生電勢(shì)差的變化，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電子通過外電路負(fù)載在兩個(gè)電極之間來回流動(dòng)，以平衡電勢(shì)差的變化（圖1-2（d））。電子在這對(duì)電極之間的往復(fù)運(yùn)動(dòng)可以形成功率輸出。與上述單極模式相比，該模式不存在屏蔽效應(yīng)，靜電誘導(dǎo)的電子轉(zhuǎn)移可以最有效地在獨(dú)立層上達(dá)到相同數(shù)量的摩擦電荷。因此，當(dāng)作為一個(gè)能量收集，這種模式比單個(gè)電極模式是更有效的[25]。圖1-2摩擦納米發(fā)電機(jī)的四種工作模式[25]a)垂直接觸-分離模式b)水平滑動(dòng)模式c)單電極模式d)獨(dú)立層模式1.2.3固液雙相TENG的研究現(xiàn)狀傳統(tǒng)TENG都是基于固體材料，所以在小尺度，尤其是在納米尺度上，接觸的有效性在很大程度上將受到兩表面的粗糙度和兩者之間匹配程度的影響�，F(xiàn)階段TENG的電荷密度大約為100μC/m2。同時(shí)，固體之間的摩擦將導(dǎo)致熱量的生成與耗散。而這兩點(diǎn)因素極大地限制了TENG效率的提高[26]。Wang等人制作了一種新型的液態(tài)金屬基摩擦納米發(fā)電機(jī)（LM-TENG）[26]。圖1.3是該LM-TENG的示意圖。由圖1-3（a）可知，該LM-TENG由兩部分組成，一部分是由摩擦材料和感應(yīng)電極組成的薄片，另一部分是液態(tài)金屬。圖1.3（b）

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-6-描述了LM-PENG每一步的工作原理。其工作原理可理解為摩擦起電與靜電感應(yīng)的結(jié)果。當(dāng)薄片部分浸入液態(tài)金屬中時(shí)，摩擦材料開始與液態(tài)金屬接觸。如圖1-3（b-i）所示，由于其吸電子能力不同，電子將從液態(tài)金屬注入摩擦層的表面，使摩擦層的表面帶凈負(fù)電荷，而液態(tài)金屬的界面產(chǎn)生凈正電荷。當(dāng)薄片從液態(tài)金屬中移出時(shí)，界面的摩擦電荷產(chǎn)生分離，將使液態(tài)金屬的電勢(shì)高于感應(yīng)電極；這樣感應(yīng)電極中的電子將通過外部負(fù)載流向液態(tài)金屬，從而形成一個(gè)反向電流，如圖1-3（b-ii）所示。在此過程中，電子持續(xù)流動(dòng)直到薄片被完全移出，如圖1-3（b-iii）所示。此時(shí)，感應(yīng)電極與液態(tài)金屬間的感應(yīng)電勢(shì)差和轉(zhuǎn)移電荷量都達(dá)到最大值。當(dāng)薄片又移回液態(tài)金屬時(shí)，電勢(shì)差將隨著薄片潤(rùn)濕區(qū)域的增加而下降。所以，電子將沿相反的方向從液態(tài)金屬流回感應(yīng)電極，如圖1-3（b-iiii）所示。因此整個(gè)過程將產(chǎn)生交流脈沖輸出。在分離速度為0.25m/s下操作，接觸面積為15cm2的LM-TENG可以產(chǎn)生679V的電壓和9μA的電流。更重要的是，其輸出電荷密度達(dá)430μC/m2，超過了固-固接觸型TENG的4倍，且其功率密度達(dá)6.7W/m2和133Kw/m3。由于形狀適應(yīng)性的優(yōu)點(diǎn)，具有20層構(gòu)造的LM-TENG的輸出電流高達(dá)130μA。此外，液態(tài)金屬基TENG的能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)70.6%，且LM-TENG適用于振動(dòng)能量的收集。振幅為1.2mm、頻率為10Hz的LM-TENG的輸出電壓為145V，輸出電流為5.8μA，且在65s內(nèi)將100μF的電容器充電至1V。圖1-3液態(tài)金屬基摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作原理。(a)LM-TENG的結(jié)構(gòu)示意圖(b)LM-TENG每一步的工作原理示意圖[26]Yang等人報(bào)道了一種經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后具有超拉伸性的液態(tài)金屬摩擦納米發(fā)電機(jī)（LM-TENG)[27]。該LM-TENG是由硅橡膠層作為摩擦層和封裝材料，液態(tài)金屬Gal


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