本文關鍵詞：基于雙面微納尺度結構摩擦納米發(fā)電機的制備及其性能研究

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【摘要】：納米發(fā)電機是一種基于納米材料,能夠將微小形變或者溫度變化產生能量轉化為電能,為一些微小型設備進行供電的電學器件。納米發(fā)電機可以收集能量的來源十分廣泛,例如肢體運動、環(huán)境中的噪聲、自然界中的風能、水能、溫差變化等,與此同時,納米發(fā)電機還具有成本低、尺寸小、重量輕等特點,其中摩擦納米發(fā)電機是一種基于摩擦起電現(xiàn)象和靜電感應現(xiàn)象,利用兩種材料之間摩擦起電產生的電荷分離和感應電荷產生的電勢差驅動外接電路中自由電子的流動,進而將外界環(huán)境中材料的接觸分離或者摩擦產生的機械能收集起來并轉化成電能的電學器件。本文提出了一種基于雙面微納尺度結構摩擦納米發(fā)電機,其中通過模板轉移法制備了具有微納尺度結構的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜作為發(fā)電機的摩擦層,在摩擦層的制備過程中,采用兩步法制備了具有微納尺度結構的硅模板,第一步利用光刻工藝和濕法腐蝕工藝制備了具有微米尺度倒金字塔圖形的硅模板,第二步采用金屬催化化學腐蝕的方法在倒金字塔結構上制備了納米尺度的多孔結構,最后通過模板轉移法,將硅模板上的微納尺度結構轉移到PDMS薄膜上,制備了具有微納尺度結構的PDMS摩擦層。此外,本文采用光刻和濕法腐蝕工藝,制備了具有立方矩陣結構的剛性覆銅板(RCCL)作為發(fā)電機的電極層。將PDMS固定于具有一定機械彈性的弓形的聚對苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜上,用Kapton膠帶將兩端貼合,電極層通過焊接銅導線與外電路相連,封裝成摩擦納米發(fā)電機。本文提出的這種基于雙面微納尺度結構摩擦納米發(fā)電機的峰值輸出電壓和和輸出電流分別為600 V和156μA,輸出功率為93.6 mW,電流密度為173.3mA/cm~2,輸出功率密度為104 W/m~2。在負載為4 MΩ的情況下,摩擦納米發(fā)電機的輸出功率達到最大,其值為16.38 mW,功率密度為18.2 W/m~2,該發(fā)電機可以成功驅動240顆直插式LED燈珠,同時可以驅動一塊商用液晶屏,使其屏幕上的顯示內容保持長達5s。本文提出的這種基于雙面微納尺度結構摩擦納米發(fā)電機具有雙層摩擦結構,且PDMS摩擦層表面和RCCL電極層表面均具有微納尺度結構。對比于單層摩擦結構的摩擦納米發(fā)電機,其輸出電壓和電荷量均提高了1.2倍和0.82倍。對比于雙面均無微納尺度結構的摩擦納米發(fā)電機,該發(fā)電機的輸出電壓提高了4倍,輸出電流提高了6.42倍,輸出功率提高35.11倍了,輸出電荷量提高了6.85倍。在連續(xù)工作6000次和連續(xù)工作10周的情況下,本文提出的摩擦納米發(fā)電機輸出電壓未發(fā)生明顯變化,其峰值仍維持在600 V左右。與傳統(tǒng)發(fā)電機相比較,本文提出的基于雙面微納尺度結構摩擦納米發(fā)電機具有諸多優(yōu)點。首先,摩擦材料表面的粗糙度對發(fā)電機的輸出性能起到至關重要的作用,摩擦表面越粗糙,則發(fā)電機的輸出性能越好,因此我們通過模板轉移工藝和光刻腐蝕工藝分別在摩擦層和電極層制作了微納尺度的圖形,以增大摩擦表面的粗糙度,進而提高發(fā)電機的輸出性能。與此同時,該發(fā)電機具有兩個摩擦層,因此可以實現(xiàn)雙倍的電學輸出。其次,中間RCCL材料上的Cu既可以作為摩擦層,同時也可以作為電極層,可以直接進行電荷輸出,同時剛性覆銅板具備良好的機械性能,使其更易加工。此外,在有機物上制備金屬等導電材料是十分困難的,工藝復雜且質量不好,該發(fā)電機的上下兩層RCCL可以直接作為發(fā)電機的正極,而無需在PET上制備金屬、ITO等導電電極,同時可以分散作用于發(fā)電機的外力,使摩擦層充分接觸。綜上所述,本文提出的基于雙面微納尺度結構摩擦納米發(fā)電機具有電學輸出性能高,機械性能好,工藝簡單,壽命長等優(yōu)點。
【關鍵詞】：摩擦納米發(fā)電機 光刻 濕法腐蝕 金屬催化化學腐蝕
【學位授予單位】：蘭州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM31
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 緒論9-23
• 1.1 引言9
• 1.2 新能源的發(fā)展9-13
• 1.3 納米發(fā)電機13-21
• 1.3.1 壓電納米發(fā)電機13-14
• 1.3.2 熱電納米發(fā)電機14-16
• 1.3.3 摩擦納米發(fā)電機16-21
• 1.4 本文選題思路與研究內容21-23
• 第二章 摩擦納米發(fā)電機的工作原理及其制備工藝23-31
• 2.1 絕緣體-金屬接觸分離式摩擦納米發(fā)電機的工作原理23-24
• 2.2 光刻工藝24-26
• 2.3 硅材料濕法腐蝕工藝26-28
• 2.4 硅材料金屬催化化學腐蝕工藝28-31
• 第三章 基于雙面微納尺度結構摩擦納米發(fā)電機的制備31-53
• 3.1 實驗材料及設備31-33
• 3.2 結構設計33-35
• 3.3 理論分析35-36
• 3.4 仿真分析及工作機制36-39
• 3.5 摩擦層的制備39-48
• 3.5.1 具有微納雙重結構硅模板的制備39-46
• 3.5.2 具有微納雙重結構PDMS薄膜的制備46-48
• 3.6 電極層的制備48-50
• 3.7 摩擦納米發(fā)電機的組裝50-51
• 3.8 本章小結51-53
• 第四章 基于雙面微納尺度結構摩擦納米發(fā)電機的性能測試與分析53-65
• 4.1 測試系統(tǒng)53
• 4.2 輸出性能。53-54
• 4.3 雙層摩擦結構輸出性能增強特性的研究54-56
• 4.4 雙面微納尺度結構輸出性能增強特性的研究56-59
• 4.5 負載驅動能力59-60
• 4.6 老化測試60-62
• 4.7 器件驅動能力62-64
• 4.8 本章小結64-65
• 第五章 總結與展望65-68
• 5.1 研究工作的總結65-66
• 5.2 研究工作的展望66-68
• 參考文獻68-73
• 在學期間的研究成果73-74
• 致謝74

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