提升摩擦发电机性能的电荷注入工艺与自供能防腐蚀系统

摘要

自供能系统是一种可以从周围环境中收集能量，不需外部电源即可实现特定功能的系统。近年来，自供能系统发展迅速，在运动检测、环境监测、生物医疗等领域展示了广阔的应用前景，这与具有高性能的纳米发电机的发展是密不可分的。因此，要想进一步发展自供能系统，必须提升纳米发电机的性能。本文的研究工作致力于开发一种进一步提升摩擦发电机性能的新方法——向摩擦层内注入电荷，并利用这种具有更高性能的摩擦发电机来探索在工程领域的应用。具体分为以下三方面的工作。
　　首先，本文制备了20μm以上的PDMS微米柱阵列，并进一步制作了微米柱阵列摩擦发电机。它输出的开路电压达到了449 V，短路电流达到了22.6μA，对应的感应电荷密度为62μC/m2。随后，利用传统的电荷注入工艺向PDMS微米柱阵列内部注入负电荷，使器件输出的短路电流提高到35.1μA，相对于未注入电荷时提高了55.3％；器件的感应电荷密度高到108μC/m2，提高了74.2%。
　　更进一步地，本文对电荷注入工艺进行改进，可以更加方便地向摩擦发电机的摩擦层内注入电荷，并且该工艺适用于更多结构的摩擦发电机。随后，利用简单的旋涂法制备具有纳米结构的PA6/PVDF薄膜，使摩擦发电机的感应电荷密度相比于没有纳米结构摩擦发电机的感应电荷密度提升了48%；利用改进的电荷注入工艺对具有微结构的PA6/PVDF摩擦发电机注入电荷，使器件的感应电荷密度提升了53%，达到了121μC/m2。摩擦发电机的输出开路电压达到了1008V，短路电流达到了51.4μA。
　　最后，本文设计了基于摩擦发电机的自供能防腐蚀系统，并分别利用注入电荷后的微米柱阵列摩擦发电机和PA6/PVDF摩擦发电机实现了自供能防腐蚀，成功地防止了铁在模拟海水中的腐蚀。这是摩擦发电机在工程领域里的首次尝试，展示了自供能系统在防腐蚀工程领域的良好应用前景。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 摩擦发电机

1.3 自供能系统

1.4 本文的选题思路与研究内容

第二章 传统电荷注入工艺对摩擦发电机输出性能的提升

2.1 传统电荷注入工艺简介

2.2 微米柱阵列摩擦发电机的制备工艺及输出性能

2.3 注入电荷对微米柱阵列摩擦发电机输出性能的提升

2.4 本章小结

第三章 改进的电荷注入工艺对摩擦发电机输出性能的提升

3.1 针对摩擦发电机改进的电荷注入工艺

3.2 尼龙（PA6）/聚偏二氟乙烯（PVDF）摩擦发电机

3.3 通过改进的电荷注入工艺提升PA6/PVDF摩擦发电机的性能

3.4 本章小结

第四章 基于摩擦发电机的自供能防腐蚀系统

4.1 防腐蚀方法简介

4.2 自供能防腐蚀系统的设计

4.3 自供能防腐蚀系统的实现

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