高输出小尺寸压电纳米发电机研究

摘要

为了给无线传感器网络，纳米机器人和可植入式医疗纳米器件供能，压电纳米发电机不仅需要具有高的输出功率，同时还必须具有超小的尺寸。然而，超小尺寸和高输出功率通常不能兼得。因此，设计出超小尺寸的高输出压电纳米发电机是非常必要的，并且具有挑战性的。
　　自2006年，基于氧化锌纳米线的压电纳米发电机首次被提出以来，采用具有高压电系数的铁电材料和集成化设计的纳米线阵列已经成为提高压电纳米发电机输出的两种非常有效的方法。从材料角度而言，锆钛酸铅（PZT）具有很高的压电系数，非常适合作为压电纳米发电机的压电材料。然而，块体或薄膜状的PZT材料非常脆，需要使用柔性聚合物材料进行封装，以提高压电纳米发电机的柔韧性和循环使用寿命。本文设计了基于一致取向纳米线阵列的柔性纳米发电机，建立了基于PZT纳米线阵列的压电纳米发电机静态输出特性模型。应用有限元方法，研究了PZT和柔性聚合物材料的种类，纳米线的长度和直径以及器件的厚度对压电纳米发电机电容，上表面电荷密度和开路电压的影响。优化了基于PZT纳米线阵列的柔性纳米发电机的机电结构，提高了压电纳米发电机的输出性能。
　　在此基础上，本章深入研究了PZT纳米线直径对压电纳米发电机输出性能的影响，使得基于一致取向PZT纳米线/PMMA的压电纳米发电机的输出性能得到进一步提高，其上表面电荷密度的峰值为19.8μC/m2，开路电压的峰值为3.8V。模拟结果表明，压电纳米发电机的输出性能与PZT含量有关：随PZT含量的增加，压电纳米发电机的输出性能先升高后降低，有最优值存在。利用PZT含量与压电纳米发电机输出性能之间的关系，本章设计出基于一致取向PZT纳米管/PMMA压电复合材料的高输出压电纳米发电机，使压电纳米发电机的上表面电荷密度增加了13％，从19.8μC/m2提高到22.4μC/m2；同时，压电纳米发电机的开路电压提高了20%，从3.8V提高到4.56V。以上结果说明本章的优化方案对压电纳米发电机输出性能有着显著的提升效果。
　　第三，单层二硫化钼（MoS2）具有优异的机械拉伸性，大的压电响应以及高的机电转换效率，因此成为目前柔性纳米发电机的研究热点之一。本文通过采用单层二硫化钼/绝缘体/单层二硫化钼的层状结构，将单层二硫化钼沿同一取向堆叠，解决了自然界中单层二硫化钼无法沿同一取向堆叠的难题，设计了基于单层二硫化钼的压电纳米发电机功能结构单元，保留并最大程度地发挥了单层二硫化钼的优势。在此基础上，将功能结构单元集成，设计并得到了超小尺寸的高输出压电纳米发电机原型。研究表明，绝缘体材料的种类，绝缘体层的厚度和单元层的边长对二硫化钼纳米发电机的输出性能有较大的影响。在机械共振和外部负载电阻为40kΩ的情况下，超小尺寸的二硫化钼压电纳米发电机（70μm×70μm×5.2μm）的输出功率高达36mW。当外部负载为25kΩ时，二硫化钼压电纳米发电机的能量转化效率显著升高，达到71%。如此高的输出功率已经能够直接为功耗为几毫瓦的纳米器件供能。
　　我们独特的设计为制造高输出功率的超小尺寸压电纳米发电机打开一扇新的大门。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 压电纳米发电机

1.3 选题思路与研究内容

第二章 基于PZT纳米线阵列的柔性压电纳米发电机研究

2.1 引言

2.2 结构设计和仿真模型

2.3 结果和讨论

2.4 本章小结

第三章 基于PZT纳米管阵列的柔性压电纳米发电机研究

3.1 引言

3.2 纳米线直径对输出影响的深入研究

3.3 纳米管的内径对输出的影响

3.4 本章小结

第四章 基于单层二硫化钼的压电纳米发电机研究

4.1 引言

4.2 功能结构单元

4.3 基于功能结构单元的压电纳米发电机的动态输出

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

在学期间的研究成果

致谢