PDMS基摩擦电纳米发电机的发电机理及影响因素研究

摘要

环境中蕴含丰富的相对能量较小、运动幅度不大、不规则的机械能，传统的发电机无法有效实现这类能量的收集利用。摩擦电纳米发电机(TENG)是基于摩擦生电和静电感应复合原理将机械能转换为电能的一种新型能源获取方式。本文在理论研究的基础上，采用模板法制备了多种织构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜，组装成PDMS基的TENG并研究了其电输出机理及影响因素，最后并借助等离子体处理（ICP）和添加纳米颗粒等方式对PDMS膜进行调控处理，具体工作及结果如下：　　首先，采用旋涂法在硅模板上制备了多种织构的PDMS膜，利用ICP对光滑PDMS膜、PDMS膜微柱阵列表面进行刻蚀处理，并借助扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）进行表征，结果表明，光滑PDMS膜厚度为250μm，表面均匀平坦，粗糙度为0.837 nm，PDMS微柱阵列高度为30μm。　　其次，借助Matlab软件对开路电压-转移电荷-距离（V-Q-X）关系进行模拟分析，并对光滑PDMS膜进行电输出测试，结果表明，开路电压（Voc）和短路电流（Isc）分别为2.8 V和0.24μA，呈交流特性且随着载荷的增加，TENG的电输出先准线性增加，再表现出饱和的趋势。　　再次，实验研究了接触区表面积、外加载荷对TENGs输出性能的影响。结果表明,圆形微柱阵列的存在有效增加了TENG的作用面积，提高其电输出性能,相同载荷下,电输出随微柱间距离减小而增加,在间距为15μm、载荷为5 N时,输出的平均开路电压和短路电流分别为88 V和15μA,是同等条件下、微柱间距为50μm电输出的1.5倍以上；电输出随载荷增加呈准线性增加。ANSYS软件模拟了PDMS微圆柱织构在载荷作用下的变形行为,结果表明,压力作用下,微圆柱主要发生压缩变形,基底的变形导致微柱与上电极之间产生侧向摩擦,从而产生更多电荷,提升了电输出性能。　　最后，对PDMS膜表面进行了ICP处理，研究了刻蚀功率、时间等因素对PDMS膜表面形貌及电输出性能的影响。结果表明，ICP处理对TENG的电输出提升具有明显的效果，采用氩气处理时，对于光滑PDMS膜，当功率为60％、刻蚀5 min时处理效果最佳，电输出相比于光滑PMDS膜提升了2.6倍以上；织构表面ICP复合处理结果表明，Voc从42 V增加到72 V，Isc从4.2μA增加到8.3μA，相比于光滑 PDMS膜提升了3.6倍以上。氩气ICP处理具有时效性，ICP处理后的光滑PDMS膜在保存3个月后的电输出性能下降35%。铜纳米颗粒对TENGs的电输出测试结果表明，铜纳米颗粒添加时可以改善TENGs的电输出特性，当纳米颗粒质量分数为2.5%时，电输出最高，Voc和Isc分别为6.8 V和0.56μA，较纯PDMS的输出性能提升了2.33倍；电输出与载荷呈准线性增加。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 纳米发电机研究进展

1.3 本论文研究内容

第二章 摩擦电纳米发电机的制备方法及性能测试

2.1 实验材料

2.2 实验仪器

2.3 实验方法

2.4 PDMS膜形貌表征及厚度测量方法

2.5 PDMS膜形貌表征和厚度效果

2.6 PDMS膜表面三维轮廓仪形貌图

2.7本章小结

第三章 摩擦电纳米发电机输出性能的影响因素

3.1 引言

3.2 TENGs的工作机理

3.3 TENGs的V-Q-X关系

3 .4 光滑PDMS膜电输出性能

3.5 本章小结

第四章 表面织构对摩擦电纳米发电机电输出性能的影响

4.1 引言

4.2 基于织构表面的TENG制备及输出性能测试方法

4.3 微柱阵列表面载荷分布与变形分析

4.4 织构表面TENG工作机理

4.5 实验结果与分析

4.6 本章小结

第五章 复合处理对摩擦电纳米发电机输出性能的影响研究

5.1 引言

5.2 ICP表面处理对TENG电输出的影响

5.3 添加铜纳米颗粒复合膜实验结果与分析

5.4 本章小结

第六章 结论及展望

6.1 论文结论

6.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文和专利