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基于PDMS微纳结构的纯柔性单电极摩擦电纳米发电机

肖鑫泽  
【摘要】:能源短缺和由此引发的能源危机问题日益显现,严重限制世界经济发展和人类文明进步。为解决能源危机问题,必须大力发展新型能够循环利用的可再生能源。太阳能、水力、风力、生物能和潮汐能等可再生能源都已经成功应用于生活中。除了这些能源外,人类周围还存在着多种多样的无规则、能量密度小的“小”能量,如人体活动机械能、汽车轮胎转动能等等。如何有效利用这些“小”能量已经成为了研究热点。 纳米发电机是能够收集周围微小能量变化,并将其转化为电能的新型发电终端。目前为止主要有三种纳米发电机:压电式纳米发电机、热电式纳米发电机、摩擦电纳米发电机。相对前两者而言,摩擦电纳米发电机具有独特的优势,如收集能量形式更丰富、输出的电压更高、成本低廉利于大规模生产等。摩擦电纳米发电机是利用摩擦起电和感应带电相结合的原理工作的。典型的摩擦电纳米发电机是由两个摩擦电系数不同的材料相互堆叠,再在两个材料的外侧覆盖感应电极构成的。然而,并不是所有的摩擦层都能被覆盖感应电极。单电极摩擦电纳米发电机的出现就克服了这一问题。利用摩擦过程中产生的电荷,通过感应带电驱使电荷在感应电极和大地间流动,产生电信号。因为在单电极摩擦电纳米发电机中,肌肤可以作为一个摩擦源,因此大大扩展了摩擦电纳米发电机的应用范围,如在接触驱动工艺中。但是现有的基于肌肤设计的单电极摩擦电纳米发电机的制备是通过硅转写工艺制备具有微结构的聚合物摩擦表面,再覆盖铜板或者ITO电极板作为感应电极制备的。它们的制备方法相对单一,并且对于未来柔性电子器件来说,铜板和ITO电极板的柔性较差,并不是好的选择。在我的工作中,利用具有微纳结构的PDMS和银纳米线制备出基于肌肤的纯柔性单电极摩擦电纳米发电机。 本文中所制备的纳米发电机是由PDMS和银纳米线构成的。PDMS的上表面作为和肌肤摩擦的摩擦面,具有不规则的微纳结构。这些不规则的微纳结构是通过飞秒激光烧蚀技术制备的。PDMS的下表面作为纯柔性感应电极,镶嵌有相互交叠的银纳米线,具有良好的导电性。镶嵌的银纳米线是通过一次转写工艺制备的。该器件无需外加电压和介质,能够直接被手指驱动,将手指触碰分离的机械能转化为电能,同时它还具有纯柔性特性。通过对比不同结构的器件产生的电荷,证明了微纳结构能够增强能量转化效率,进而也验证了引入飞秒激光烧蚀技术制备微结构的重要性。当器件被弯折500次以后,依然能够很好的工作,具有良好的稳定性。而后通过性能测试再一次验证了单电极摩擦电纳米发电机的工作原理。最后,作为实际应用举例,将所制备的纯柔性纳米发电机粘在衣服上,器件依然能够正常工作。


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