基于双面微纳尺度结构摩擦纳米发电机的制备及其性能研究

摘要

纳米发电机是一种基于纳米材料，能够将微小形变或者温度变化产生能量转化为电能，为一些微小型设备进行供电的电学器件。纳米发电机可以收集能量的来源十分广泛，例如肢体运动、环境中的噪声、自然界中的风能、水能、温差变化等，与此同时，纳米发电机还具有成本低、尺寸小、重量轻等特点，其中摩擦纳米发电机是一种基于摩擦起电现象和静电感应现象，利用两种材料之间摩擦起电产生的电荷分离和感应电荷产生的电势差驱动外接电路中自由电子的流动，进而将外界环境中材料的接触分离或者摩擦产生的机械能收集起来并转化成电能的电学器件。本文提出了一种基于双面微纳尺度结构摩擦纳米发电机，其中通过模板转移法制备了具有微纳尺度结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜作为发电机的摩擦层，在摩擦层的制备过程中，采用两步法制备了具有微纳尺度结构的硅模板，第一步利用光刻工艺和湿法腐蚀工艺制备了具有微米尺度倒金字塔图形的硅模板，第二步采用金属催化化学腐蚀的方法在倒金字塔结构上制备了纳米尺度的多孔结构，最后通过模板转移法，将硅模板上的微纳尺度结构转移到 PDMS薄膜上，制备了具有微纳尺度结构的PDMS摩擦层。此外，本文采用光刻和湿法腐蚀工艺，制备了具有立方矩阵结构的刚性覆铜板(RCCL)作为发电机的电极层。将PDMS固定于具有一定机械弹性的弓形的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜上，用Kapton胶带将两端贴合，电极层通过焊接铜导线与外电路相连，封装成摩擦纳米发电机。
　　本研究主要内容包括：⑴提出的这种基于双面微纳尺度结构摩擦纳米发电机的峰值输出电压和和输出电流分别为600V和156μA，输出功率为93.6 mW，电流密度为173.3mA/cm2，输出功率密度为104 W/m2。在负载为4 MΩ的情况下，摩擦纳米发电机的输出功率达到最大，其值为16.38mW，功率密度为18.2W/m2，该发电机可以成功驱动240颗直插式LED灯珠，同时可以驱动一块商用液晶屏，使其屏幕上的显示内容保持长达5s。⑵提出的这种基于双面微纳尺度结构摩擦纳米发电机具有双层摩擦结构，且PDMS摩擦层表面和RCCL电极层表面均具有微纳尺度结构。对比于单层摩擦结构的摩擦纳米发电机，其输出电压和电荷量均提高了1.2倍和0.82倍。对比于双面均无微纳尺度结构的摩擦纳米发电机，该发电机的输出电压提高了4倍，输出电流提高了6.42倍，输出功率提高35.11倍了，输出电荷量提高了6.85倍。在连续工作6000次和连续工作10周的情况下，本文提出的摩擦纳米发电机输出电压未发生明显变化，其峰值仍维持在600 V左右。⑶提出的基于双面微纳尺度结构摩擦纳米发电机具有诸多优点。首先，摩擦材料表面的粗糙度对发电机的输出性能起到至关重要的作用，摩擦表面越粗糙，则发电机的输出性能越好，因此我们通过模板转移工艺和光刻腐蚀工艺分别在摩擦层和电极层制作了微纳尺度的图形，以增大摩擦表面的粗糙度，进而提高发电机的输出性能。与此同时，该发电机具有两个摩擦层，因此可以实现双倍的电学输出。其次，中间RCCL材料上的Cu既可以作为摩擦层，同时也可以作为电极层，可以直接进行电荷输出，同时刚性覆铜板具备良好的机械性能，使其更易加工。此外，在有机物上制备金属等导电材料是十分困难的，工艺复杂且质量不好，该发电机的上下两层 RCCL可以直接作为发电机的正极，而无需在 PET上制备金属、ITO等导电电极，同时可以分散作用于发电机的外力，使摩擦层充分接触。综上所述，本文提出的基于双面微纳尺度结构摩擦纳米发电机具有电学输出性能高，机械性能好，工艺简单，寿命长等优点。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 新能源的发展

1.3 纳米发电机

1.4 本文选题思路与研究内容

第二章 摩擦纳米发电机的工作原理及其制备工艺

2.1 绝缘体-金属接触分离式摩擦纳米发电机的工作原理

2.2 光刻工艺

2.3 硅材料湿法腐蚀工艺

2.4 硅材料金属催化化学腐蚀工艺

第三章 基于双面微纳尺度结构摩擦纳米发电机的制备

3.1 实验材料及设备

3.2 结构设计

3.3 理论分析

3.4 仿真分析及工作机制

3.5 摩擦层的制备

3.6 电极层的制备

3.7 摩擦纳米发电机的组装

3.8 本章小结

第四章 基于双面微纳尺度结构摩擦纳米发电机的性能测试与分析

4.1 测试系统

4.2 输出性能

4.3 双层摩擦结构输出性能增强特性的研究

4.4 双面微纳尺度结构输出性能增强特性的研究

4.5 负载驱动能力

4.6 老化测试

4.7 器件驱动能力

4.8 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 研究工作的总结

5.2 研究工作的展望

参考文献

在学期间的研究成果

致谢