基于共用电极的全柔性复合式摩擦纳米发电机

摘要

随着经济与科学技术的不断进步，人类社会发展对能源的需求也日益增加。从原始人类通过木材取火获取能源到第一次工业后人类对煤炭、石油的大量使用，人类与能源的关系也越加紧密，同时也越加紧张。据能源领域科学家估计，地球上还未开采的石油不足两万亿桶，可供人类使用不足95年。由于能源安全与经济安全、政治安全息息相关，倘若传统能源消耗殆尽，人类的生存产将受到威胁。对传统化石能源日渐枯竭的现状，世界各国研究人员不断寻找传统化石能源的替代品，努力构建新的能源体系，为人类在地球的长久生存提供保障。目前自然界中存在的风能、太阳能、热能、核能已被研究人员重视并成功应用于人们的日常生活，逐渐形成多元立体式的能源结构。同时电子技术的也在推动着人类的发展，越来越多的小型可穿戴电子设备走进人们的生产生活，在各个领域发挥着不可替代的功能。但是，现阶段电子设备的供能方式多为传统化学电池，由于化学电池寿命有限，需要频繁替换或外接充电，带给使用者诸多局限，同时化学电池中的重金属易造成环境污染，危害人体健康。因此寻找一种环境友好型的设备能够收集自然界中的微小能量成为一项具有挑战性的课题。 基于摩擦生电和静电感应耦合作用的原理，美国佐治亚理工学院王中林教授于2012年首次提出摩擦纳米发电机。依靠两种接触材料对电荷吸引能量的不同，在接触时接触界面产生等量异种的摩擦电荷，由于静电感应原理在背部电极形成感应电荷，在两种材料之间形成电势差。当接通外电路后，电子受到电势差的驱动在电极间流动从而形成电流。随着科研人员对摩擦纳米发电机的研究不断深入，目前摩擦纳米发电机主要分为垂直接触-分离模式、滑动式、单电极式、隔空式四种基本模式。摩擦纳米发电机由于材料选择广泛、制备工艺简单、输出性能高、生物兼容性好等优势成为一种非常具有前景的功能设备，同时由于它灵敏度高、尺寸小等特点，可作为自供电传感器，在健康监测、生物医学领域有用广泛的应用。 本文针对为可穿戴设备供电和采集人体机械能作为运动姿态监测和运动传感的应用需求，基于麦克斯韦电流理论推导了摩擦纳米发电机的数学模型，利用室温硫化硅胶、环氧树脂和柔性电极制备出基于共用电极结构全柔性复合式摩擦纳米发电机。本文首先对材料性能进行了测试，探讨了表面结构对摩擦纳米发电机性能的影响。为了进一步探究复合式摩擦纳米发电机的电学性能，使用Keithley6514数字源表对发电机的输出电压、输出电流、电容充电曲线进行了测试。最后，本文对复合式摩擦纳米发电机应用进行了讨论，使用全柔性复合式摩擦纳米发电机的可以点亮发光二极管，将其放置在人体关节处和脚下，能够用于姿态识别和运动传感。通过实验分析和讨论证明，全柔性复合式纳米发电机式一种具有输出性能高、可靠性好、生物功能性优良的摩擦纳米发电机，在人体运动能量采集、可穿戴电子设备供电、运动监测及传感领域有广泛的应用前景。

目录

声明

1. 绪论

1.1 研究背景

1.2柔性电子技术

1.3摩擦纳米发电机的研究进展

1.3.1摩擦纳米发电机用于采集人体运动能量

1.3.2摩擦纳米发电机用于采集振动能量

1.3.3摩擦纳米发电机用于采集风能

1.3.4摩擦纳米发电机用于采集蓝色能源

1.4本文主要研究工作

2.摩擦纳米发电机原理

2.1摩擦纳米发电机工作原理

2.1.2滑动式摩擦发电机

2.1.3单电极式摩擦发电机

2.1.4隔空式摩擦发电机

2.2 摩擦纳米发电机理论模型

2.3复合式摩擦纳米发电机的工作原理

2.4摩擦纳米发电机的品质因素

2.5本章小结

3.材料选择、合成及制备工艺

3.1复合式摩擦纳米发电机材料选择

3.2.1 柔性可拉伸电极材料的制备

3.3.1 全柔性复合式摩擦纳米发电机制备

3.3.2全柔性复合式摩擦纳米发电机材料性能表征

3.4本章小结

4. 全柔性复合式摩擦纳米发电机输出测试

4.1测试方法及仪器

4.2.1 输出短路电流与开路电压

4.2.2 负载特性曲线

4.2.3可靠性测试

4.3应用实例

4.3.1 人体运动能量采集

4.3.2 人体运动监测

4.4对比与分析

4.5本章小结

5．总结与展望

5.1论文主要工作

5.2工作展望

作者简介及硕士期间发表的学术成果

参考文献

致谢