發(fā)布時(shí)間：2022-01-14 05:15

　　大自然環(huán)境中廣泛存在很多非常容易被人們所忽略的能量,例如人體運(yùn)動(dòng)能、機(jī)械振動(dòng)能、風(fēng)能、波浪能。因此,基于現(xiàn)階段可持續(xù)能源的發(fā)展,如何有效地采集上述微小能源已經(jīng)成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。2012年王中林院士課題組摩擦納米發(fā)電機(jī)的成功研制為微能源采集技術(shù)提供了新思路。其工作原理是通過(guò)兩種不同摩擦電極序的材料接觸后產(chǎn)生的表面靜電荷在外力的作用下所形成的電勢(shì)差變化所引起外部交流電信號(hào)。摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作原理簡(jiǎn)單、摩擦材料多樣,可以廣泛應(yīng)用于收集人體運(yùn)動(dòng)機(jī)械能、波浪能、風(fēng)能等多種形式的微小能源。然而,內(nèi)阻高、開(kāi)路電壓大、短路電流小,致使其收集的能量無(wú)法得到高效率的輸出,所以本文將通過(guò)電介質(zhì)材料優(yōu)化和雙尖結(jié)構(gòu)性能分析兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)一步改善摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出性能。通過(guò)對(duì)摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作模式、電容理論模型等理論的分析,從如何提高表面摩擦電荷密度出發(fā),提出了兩種提高摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出性能的途徑。第一種是通過(guò)提高電介質(zhì)材料相對(duì)介電常數(shù),探索提高摩擦納米發(fā)電機(jī)的電學(xué)輸出性能的方法。第二種是通過(guò)減少電介質(zhì)材料有效厚度,探索提高摩擦納米發(fā)電機(jī)的電學(xué)輸出性能的方法。并且通過(guò)上述兩種方法得到的摩擦材料與摩擦正性材... 

【文章來(lái)源】：中北大學(xué)山西省

【文章頁(yè)數(shù)】：71 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

能源發(fā)展趨勢(shì)圖

?納器件等功能化應(yīng)用。具有高輸出性能的柔性壓電納米發(fā)電機(jī)是能量獲取的理想選擇。基于壓電材料的柔性納米發(fā)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)便攜式電子設(shè)備、無(wú)線設(shè)備或植入式醫(yī)療設(shè)備的新型電源已被廣泛研究[8-12]。然而，柔性壓電聚合物[例如聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)]具有壓電系數(shù)低的缺點(diǎn)，而壓電陶瓷[例如具有較大壓電系數(shù)的BaTiO3(BT)、Pb(Zr、Ti)O3(PZT)、(K、Na)NbO3(KNN)]等具有脆性的缺陷。因此，將壓電陶瓷填料與柔性聚合物相結(jié)合，構(gòu)建柔性高性能的壓電摩擦納米發(fā)電機(jī)[12-17]具有越來(lái)越大的吸引力。如圖1-2所示，上海交大研究組最近在C/BT納米復(fù)合氣凝膠紙的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)復(fù)合纖維素紙的溶解和再生，制備了一種新型的柔韌型氣凝膠紙。壓電性能受益于三維纖維素網(wǎng)絡(luò)，這有助于高BT負(fù)載、均勻的BT分散性和增強(qiáng)的納米復(fù)合材料楊氏模量。基于C/BT-5的壓電納米發(fā)電機(jī)可以產(chǎn)生15.5V的電壓和11.8μW的功率[18]。圖1-2基于壓電納米發(fā)電機(jī)的C/BT氣凝膠紙的制造過(guò)程示意圖(Figure1-2SchematicofthefabricationprocessofaC/BTaerogelpaperbasedpiezoelectricnanogenerators.)2）使用納米技術(shù)的能量收集和轉(zhuǎn)換設(shè)備最近受到越來(lái)越多的關(guān)注，因?yàn)樗鼈兛赡茉跇?gòu)建和驅(qū)動(dòng)自供電納米設(shè)備和納米系統(tǒng)方面發(fā)揮重要作用[19-25]。摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的感應(yīng)電荷在科學(xué)研究或技術(shù)應(yīng)用中通常被稱為負(fù)面影響，并且在許多情況下它們的能量都是浪費(fèi)的。然而2012年，如圖1-3，佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院王中林研究團(tuán)隊(duì)提出了使用摩擦中的充電過(guò)程將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能以驅(qū)動(dòng)小型電子設(shè)備的簡(jiǎn)單，低成本且有效的方法。摩擦發(fā)電機(jī)是通過(guò)堆疊兩塊聚合物板制成的，該聚合物板由具有明顯

戀縑匭緣牟牧現(xiàn)瞥桑?鶚裟こ粱?謐樽敖峁溝畝ゲ亢偷撞懇宰魑?緙?Ｒ壞?受到機(jī)械變形，由于納米級(jí)表面粗糙度，兩層膜之間的摩擦在兩側(cè)產(chǎn)生相等數(shù)量但相反的電荷。因此，在界面區(qū)域形成了摩擦電勢(shì)層，如果系統(tǒng)的電容發(fā)生變化，則該摩擦電勢(shì)層將用作電荷“泵”，以驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載中電子的流動(dòng)。這種柔性聚合物摩擦發(fā)電機(jī)的最大輸出電壓為3.3V。功率密度為~10.4mW/cm3。摩擦發(fā)電機(jī)具有從人類活動(dòng)、旋轉(zhuǎn)輪胎、海浪、機(jī)械振動(dòng)等獲取能量的潛力，在個(gè)人電子、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療科學(xué)甚至大規(guī)模電力的自供電系統(tǒng)中有著巨大的應(yīng)用[26]。圖1-3彎曲和釋放過(guò)程中集成發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)；柔性摩擦發(fā)電機(jī)和其機(jī)械彎曲時(shí)的圖像(Figure1-3Thestructureofanintegratedgeneratorinbendingandreleasingprocess.Photographicimagesofaflexibletriboelectricgeneratorandmechanicalbendingequipment.)摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）是可將外界機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的新型能源采集器件，具有原理簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)巧妙、成本較低等特點(diǎn)。摩擦納米發(fā)電機(jī)的理論來(lái)源是麥克斯韋位移電流，是摩擦起電和靜電感應(yīng)兩種原理的結(jié)合。兩種摩擦電極序不同的材料接觸后所產(chǎn)生的感應(yīng)電荷，在外界機(jī)械力的作用下所形成的電勢(shì)差驅(qū)動(dòng)電子在外部電路流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)將摩擦能量轉(zhuǎn)換成電能。如表1-1列出了一些常用材料的摩擦電極序的排序。從表中可以看出，對(duì)于摩擦納米發(fā)電機(jī)的制備，只要選擇兩種不同摩擦電極序的材料，就可以得到簡(jiǎn)易的摩擦納米發(fā)電機(jī)。與此同時(shí)，為保證摩擦電荷能夠較長(zhǎng)時(shí)間的聚集在材料表面，摩擦納米發(fā)電機(jī)的兩個(gè)接觸材料中，至少一種是絕緣體�？梢钥闯�，摩擦納米發(fā)電機(jī)具有工作原理簡(jiǎn)單、摩擦材料種類眾多等優(yōu)點(diǎn)。而對(duì)于摩擦納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用環(huán)境，不僅可以收集手機(jī)的觸摸、鍵盤(pán)的敲擊時(shí)的能量、水低

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]生物燃料的發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J]. 劉瑾,鄔建國(guó).  生態(tài)學(xué)報(bào). 2008(04)
[2]淺談世界能源危機(jī)及中國(guó)的戰(zhàn)略抉擇[J]. 白少成.  實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù). 2006(S1)
[3]微能源發(fā)展概述[J]. 秦沖,苑偉政,孫磊,喬大勇.  光電子技術(shù). 2005(04)
[4]能源危機(jī)與對(duì)策[J]. 張光寅.  科學(xué)中國(guó)人. 2003(08)



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