摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其在自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用.pdf

1、21世紀(jì)以來(lái)，基于移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)“Internet of things（IoT）”成為新一代信息技術(shù)的重要組成部分和發(fā)展階段。物聯(lián)網(wǎng)是將互聯(lián)網(wǎng)和世界各地的任何東西（例如航運(yùn)對(duì)象，貨物運(yùn)輸商和人等）鏈接起來(lái)的技術(shù)驅(qū)動(dòng)力，它需要廣泛分布的信息傳感設(shè)備，用于健康監(jiān)測(cè)，平安家居，智能交通，物流供應(yīng)，環(huán)境保護(hù)，基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)和安全等領(lǐng)域。驅(qū)動(dòng)單個(gè)傳感器件所需要的能量是微小的，而驅(qū)動(dòng)這些數(shù)以?xún)|計(jì)傳感器的能源供應(yīng)是亟待解決的問(wèn)題?？紤]到

2、傳統(tǒng)電池技術(shù)有限的壽命，高維護(hù)成本和環(huán)境問(wèn)題，這不是物聯(lián)網(wǎng)供能的最佳解決方案。王中林院士在2006年和2012年分別發(fā)明基于壓電納米發(fā)電機(jī)和摩擦納米發(fā)電機(jī)首次提出通過(guò)從工作環(huán)境收集能量使設(shè)備自供電，并可持續(xù)地操作和運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本論文基于摩擦納米發(fā)電技術(shù)，從自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能源采集單元，存儲(chǔ)單元，電源管理系統(tǒng)，自驅(qū)動(dòng)傳感器件，以及構(gòu)建自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的探索等多個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)的整體的開(kāi)發(fā)和研究。我們堅(jiān)信摩擦納米發(fā)電技術(shù)在實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)化的

3、電子系統(tǒng)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和前景。全文的具體研究要點(diǎn)如下：
　　①摩擦納米發(fā)電機(jī)作為自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的能量源核心，從結(jié)構(gòu)和材料兩方面對(duì)其的設(shè)計(jì)改性都是目前的重要研究開(kāi)發(fā)方向。本論文中，我們從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，致力于拓展摩擦納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用多樣性。首先，采用微米級(jí)別PTFE薄膜，設(shè)計(jì)了一種三明治口哨結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于氣流能量的收集。該氣流驅(qū)動(dòng)的摩擦納米發(fā)電器件具有較高的輸出頻率特性，能夠?qū)崿F(xiàn)近乎穩(wěn)定的電能輸出，將之巧妙的與染料敏化太陽(yáng)

4、能電池結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于光能和風(fēng)能的同時(shí)采集。其次，通過(guò)設(shè)計(jì)一種棋盤(pán)狀的插指電極，采用PET薄膜和PTFE片作為摩擦對(duì)材料，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于全方位平面運(yùn)動(dòng)的采集。PET薄膜的使用，避免了PTFE與電極的直接接觸摩擦，極大的延長(zhǎng)了器件的耐久性能。通過(guò)將該器件應(yīng)用在鼠標(biāo)和鼠標(biāo)墊構(gòu)成的系統(tǒng)中，成功地實(shí)現(xiàn)了在不影響操作的情況下，對(duì)于鼠標(biāo)操作的能量采集。最后，通過(guò)設(shè)計(jì)一種管狀螺旋結(jié)構(gòu)的插指電極，采用PET薄膜作為保護(hù)膜和PTFE條作為摩擦材料，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)

5、動(dòng)和平面運(yùn)動(dòng)雙功能能量采集，并且該器件能夠在兩種工作模式下分別實(shí)現(xiàn)對(duì)于轉(zhuǎn)速和動(dòng)量的自驅(qū)動(dòng)探測(cè)。
　?、趯?shí)際應(yīng)用中，摩擦帶來(lái)的材料磨損和環(huán)境中的水汽等帶來(lái)的表面電荷屏蔽等問(wèn)題一直是阻礙摩擦納米發(fā)電機(jī)實(shí)際應(yīng)用的兩個(gè)重大問(wèn)題，本論文中，我們從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度輸出，以解決磨損和防水問(wèn)題。首先，設(shè)計(jì)了一種管狀聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)滾動(dòng)摩擦補(bǔ)充非接觸自由摩擦層模式中摩擦層的表面電荷，實(shí)現(xiàn)高性能的超耐久摩擦納米發(fā)電機(jī)。其次，環(huán)境中的粉塵，水汽等會(huì)對(duì)摩擦納

6、米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生致命性的影響，通過(guò)磁鐵對(duì)非接觸吸引作用，設(shè)計(jì)了一加一大于二的雜化發(fā)電機(jī)，其全封裝式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了摩擦納米發(fā)電機(jī)在高濕度/水下等極端惡劣環(huán)境中工作的可能。
　　③摩擦起電效應(yīng)不僅僅在固體與固體之間，固液界面仍然存在摩擦電效應(yīng)。本論文中，采用PTFE乳液處理PE管的內(nèi)表面形成疏水摩擦層，利用固-液界面的摩擦電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了液滴和氣泡的自驅(qū)動(dòng)微流傳感器件。在該傳感器中，我們?cè)敿?xì)地分析了傳感機(jī)理，測(cè)量了傳感器的參數(shù)特性。通過(guò)不同的毛細(xì)

7、管的使用，能夠有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)于器件探測(cè)靈敏度和探測(cè)范圍等的調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)中，該傳感器被展示用于醫(yī)療的輸液過(guò)程的監(jiān)控和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中微氣流的探測(cè)和控制。
　?、茉谧则?qū)動(dòng)系統(tǒng)中，能量采集單元和能量?jī)?chǔ)存單元集成在一起以實(shí)現(xiàn)電能的同時(shí)轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存功能的器件被稱(chēng)為自充電供能單元。本論文中，首先，采用硅橡膠和Ag納米線(xiàn)制備了一種超柔性可拉伸的單電極式摩擦納米發(fā)電機(jī)。采用防水砂紙和碳粉材料制備了一種可拉伸的剪紙超級(jí)電容器。將二者通過(guò)硅橡膠封裝在一個(gè)模塊

8、內(nèi)實(shí)現(xiàn)了一種可拉伸的全封裝防水自充電供能包。其次，采用紙作為摩擦納米發(fā)電機(jī)的基底材料，利用剪紙技術(shù)設(shè)計(jì)制備了一種嵌套式的菱形結(jié)構(gòu)納米發(fā)電機(jī)，能夠通過(guò)嵌套的數(shù)量在同樣的體積空間內(nèi)成倍的提升其電荷輸出性能。得益于紙基的輕質(zhì)性，該納米發(fā)電機(jī)具有比傳統(tǒng)亞克力基納米發(fā)電機(jī)近15倍的比電荷輸出特性。結(jié)合同樣紙基的超級(jí)電容器，實(shí)現(xiàn)了超便攜式的全紙基自充電供能單元。
　　⑤由于摩擦納米發(fā)電機(jī)的電容式工作輸出特性，該發(fā)電機(jī)具有高電壓，小電流和高輸出

9、阻抗等特性。因此使用電源管理單元來(lái)降低其電壓，提升其電流能夠極大地提升在使用中摩擦納米發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)化效率。本論文中，我們?cè)谀Σ良{米發(fā)電機(jī)的周期性工作過(guò)程中，設(shè)計(jì)了一種通過(guò)發(fā)電機(jī)自身機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)一組電容器實(shí)現(xiàn)在串聯(lián)狀態(tài)下充電，在切換至并聯(lián)狀態(tài)下輸出的沒(méi)有包含線(xiàn)圈感應(yīng)器件的電源管理單元。該電源管理設(shè)計(jì)對(duì)于低頻能量狀態(tài)下工作的納米發(fā)電機(jī)具有較高能量轉(zhuǎn)化效率和高度集成化等優(yōu)點(diǎn)。
　?、轈u2+離子作為工業(yè)廢水中的主要重金屬離子，對(duì)于人體和