【摘 要】
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摩擦纳米发电机(TENG)作为新的能量采集技术,可以灵活地将环境中或人体产生的机械能转化为电能,是应用于电子设备的理想供能器件。目前有关TENG的研究得到了广泛的关注,但其输出性能距离实际应用仍有一定的进步空间;此外,TENG的应用中,比如可穿戴设备乃至电子皮肤对其柔性透明等特性也提出了更高的要求。本课题以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为研究对象,为提升其摩擦电性能,同时兼顾最终所制备的TENG柔性和
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摩擦纳米发电机(TENG)作为新的能量采集技术,可以灵活地将环境中或人体产生的机械能转化为电能,是应用于电子设备的理想供能器件。目前有关TENG的研究得到了广泛的关注,但其输出性能距离实际应用仍有一定的进步空间;此外,TENG的应用中,比如可穿戴设备乃至电子皮肤对其柔性透明等特性也提出了更高的要求。本课题以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为研究对象,为提升其摩擦电性能,同时兼顾最终所制备的TENG柔性和透明度,主要研究内容如下:采用物理掺入法将PTFE聚四氟乙烯(PTFE)掺入PDMS之中,制得不同掺杂量的PDMS/PTFE薄膜。最佳掺杂量为10%时,组装的TENG输出电压和转移电荷量分别为90 V和90 n C,是纯PDMS基TENG器件输出性能的3倍以上。掺入PTFE使TENG输出性能提升的原因是由于掺入PTFE材料之后,改变了PDMS材料的功函数,影响了电荷在摩擦过程中的分布导致。PDMS/PTFE基TENG可以点亮104盏蓝色商用LED小灯泡,也可给低容量的商用电容充电,从而驱动小型电子器件。制备的器件保持了较好的透明度(72.7%)和柔韧性。采用化学改性的方法选取全氟癸基三氯硅烷(FDTS)改性PDMS,获得了不同掺杂量的PDMS/FDTS薄膜。制备了分布均匀的铜纳米线/还原氧化石墨烯(Cu NWs/r GO)复合材料并制备透明柔性电极。最佳掺杂量为2 wt%时,TENG输出电压和转移电荷量分别为125 V和90 n C,分别是纯PDMS基TENG器件输出性能的5倍与3倍。提升的原因是掺杂FDTS与PDMS反应之后,改变了材料的表面电势和电容,影响了电荷在摩擦时的分布所导致。TENG可以点亮160盏蓝色商用LED小灯泡,也可给商用电容充电,驱动电子器件。制备的器件展示了相比商用电极组装器件更佳的透明度和一定的柔韧性。最后综合了氟化改性与表面结构构造方法制备综合改性PDMS薄膜,制备了输出电压达350V的TENG。合成了长径比大于2000的铜纳米线(Cu NWs),并转移到PDMS上制备半嵌入式的透明柔性同时具有优良的稳定性的电极。将Cu NWs掺杂到PDMS之中,制得不同掺杂量的PDMS/Cu NWs薄膜。对不同量的Cu NWs掺入PDMS所制备的薄膜组装的TENG的性能进行了测试与分析。在掺杂量为0.9 mg时输出性能与透明度性能达到最佳匹配,其输出电压和转移电荷量达到最高,分别可达105 V和70 n C,是纯PDMS基TENG器件输出性能的4倍与2.5倍。提升原因是掺杂了Cu NWs之后,影响了摩擦层材料的微电容结构,且分布于表面的Cu NWs改变了电荷在摩擦层中的储存共同作用所致。接触分离式TENG可以应用于信号显示作用;其经过与设计电路的组装,可以为商用电容充电,并为不同的器件供能使其正常工作。单电极的PDMS/0.9Cu NWs材料基TENG则拥有较好的透明度(82.3%)和柔韧性,可以实现人体运动信号的探测与对外界受力的传感。制备太阳能/摩擦能混合能量收集器件可以收集太阳能和水滴摩擦能。为了改善PDMS薄膜基TENG的透气性,同时考虑PDMS材料难以直接实现静电纺丝制备透气型纳米纤维薄膜,本课题设计了化学改性后的PDMS/FDTS用以浸渍纳米纤维制备复合材料来实现材料与器件的透明性与透气性兼备。采用静电纺丝方法纺制聚乙烯醇(PVA)纳米纤维,探究相关纺丝参数对其形貌的影响;在此基础上,通过不同浓度的PDMS溶液对纳米纤维浸渍,制备出同时满足透明透气的摩擦层材料;为了进一步改善输出性能,使用稀释的PDMS/FDTS溶液对纳米纤维浸渍,以此为摩擦层的TENG可以得到40 V的输出电压,同时表现了良好的透明度、透气性和优良的疏水性能(126.6°),并将其贴附于人体,有望实现人体运动监测。
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