基于驻极体的振动式能量采集器的材料、制备及其性能研究

摘要

随着智能化系统的发展，人们对于电子设备的需求急剧增加，微机电系统作为电子设备中的一种，具有体积小、质量轻、能耗小等优点，因此引起人们广泛关注。而要使得微机电系统得到广泛应用，能量的供给是关键问题之一。驻极体是一类含取向偶极子和准永久空间电荷的功能电介质材料。驻极体材料会在其外部形成一个静电场，当有电极进入这块电场空间后，电极上会产生感应电荷，这就是驻极体的静电效应。由于静电效应的存在，驻极体被广泛应用在各类传感器件和微型能量采集器中。
　　驻极体式微型振动能量收集器是通过采集自然环境中的振动能将其转化为电能的装置，用作微机电系统的电源，具有使用寿命长，电能产生过程对环境无污染等优点，因此成为了微能源技术的一个重要发展方向。目前驻极体式微振能量采集器的研究还处于起步阶段，寻找和发展性能优异的驻极体材料是关键。本文选取介电性能优异的聚合物材料（氟化乙丙烯共聚物FEP，四氟乙烯、六氟丙烯和偏氟乙烯共聚物THV）作为研究对象，研究了它们的介电性能和驻极体性能，探索了由于图形化带来的尺寸变化对驻极体性能的影响。并以它们作为传感材料制作了微型振动能量收集器，通过理论模拟和实验，研究了影响微型振动能量收集器输出功率的因素。本文的主要研究内容和结论如下：
　　（1）针对图形化带来的尺寸变化导致驻极体性能下降的问题，以FEP薄膜为研究对象，制备了3mm和2mm宽的栅形电场分布驻极体。结果表明，两种注极后的样品存储150天后栅型电场分布变得清晰而有规律，覆盖铝电极区电场已衰减至接近零，未覆盖铝电极区仍保持高电位。经过分析表明，FEP和金属铝表面两者电荷衰减性能上的差异是造成FEP表面蒸镀铝电极后能获得栅型电场分布的原因所在。
　　（2）为获得最佳注极工艺对栅形电荷存储性能的影响，研究了充电方法，注极温度，电极宽度等制备工艺对栅形电场分布驻极体性能的影响。结果表明，电晕注极样品初始表面电位高于热注极样品，但衰减速度更快。电极宽度越小，初始表面电位越低，但不同电极宽度样品的电荷衰减规律相似。注极温度越高，样品的表面电位越高。
　　（3）为克服FEP薄膜驻极体多次振动以后电位衰减很快，不能长期保持稳定静电场的问题，设计制备了FEP/THV双层驻极体薄膜。为获得最佳介电性能的THV薄膜，采用高温熔融热压法制备了三种类型的THV薄膜（THV220、THV500和THV815），分别测量其介电常数和介质损耗。结果表明，随着测试频率的升高，THV220、THV500和THV815三种类型THV的介电常数都随之减小，在热极化后，它们的介电常数都有所下降。通过研究选择了THV220作为THV/FEP双层膜的材料，发现FEP/THV双层驻极体电荷存储性能优良，满足微振能量采集器的器件制备。
　　（4）设计制备了纵向振动和横向振动的两种驻极体式微型振动能量采集器，根据静电感应原理，提出驻极体式微振能量采集器的模型，进行理论计算和实验，探索了影响驻极体式微型振动能量采集器输出功率的因素。获得4000mW的最大输出功率，实现振动能向电能的转化，向成功为液晶屏供电。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 图形化驻极体简介

1.2图形化驻极体制备技术的研究近况

1.3 栅形驻极体简介

1.4 本论文研究的意义与内容

2 驻极体的制备与实验方法

2.1 薄膜材料及其制备

2.2 栅形驻极体的形成方法

2.3聚合物介电常数和栅形驻极体表面电位的测量

2.4能源采集器的制备及其性能测试

2.5 小结

3 单层FEP栅形驻极体的性能研究

3.1电晕注极样品的电荷存储性能

3.2 热极化注极样品的电荷存储性能

3.3栅型电场分布驻极体电荷存储机制分析

3.4小结

4 THV介电性能的测试及FEP/THV双层膜的制备

4.1 不同测试频率对THV介电常数的影响

4.2 极化对THV介电常数的影响

4.3 不同测试频率对THV介质损耗的影响

4.4 FEP/THV双层膜电荷存储性能研究

4.5 本章小结

5 驻极体式能量采集器工作原理及其设计应用

5.1 变间距式微振静电能量采集器

5.2 变面积式微振静电能量采集器

5.3 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

附录