【摘 要】
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摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator,TENG）,能有效的收集环境中分散的、低质量、低频率的机械能,输出的电信号具有高电压、低电流的特性。为了进一步提升发电机的输出特性,引用具有低电压、高电流输出特性的电磁发电机（Electromagnetic generator,EMG）与其复合,就能取长补短,而且EMG可以收集环境中的高频能量,扩大了能量收集频率范围,因此就引
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摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator,TENG）,能有效的收集环境中分散的、低质量、低频率的机械能,输出的电信号具有高电压、低电流的特性。为了进一步提升发电机的输出特性,引用具有低电压、高电流输出特性的电磁发电机（Electromagnetic generator,EMG）与其复合,就能取长补短,而且EMG可以收集环境中的高频能量,扩大了能量收集频率范围,因此就引出了摩擦电-电磁复合纳米发电机（Triboelectric-electromagnetic hybrid nanogenerator,TEHG）。本文通过刮涂法制备了三种柔性复合摩擦-电磁性薄膜,其作为摩擦电材料的同时替代了传统TEHG中的磁铁,减轻了发电机的质量,简化了结构。并以复合膜为基础设计了三种TEHG,详细研究了输出性能并开展了其在不同领域的应用研究。（1）提出了一种基于柔性钕铁硼/聚氯乙烯(Nd2Fe14B/PVC)复合薄膜的接触分离模式TEHG,用以收集环境中的机械能。在这里,将Nd2Fe14B粉末嵌入到PVC薄膜中,制得既具有摩擦电性又具有铁磁性的复合薄膜来取代传统EMG中质量比较大的磁铁。设计的TEHG中TENG在直线电机提供的3.8 N、2.1 Hz稳定输入条件下可以产生高达422 V、60.5μA的输出电信号,在外接5 MΩ的负载电阻条件下输出4.5 m W的峰值功率,EMG可以产生约0.28 V、1.4 m A的输出电信号,在200Ω的负载电阻下可提供0.11 m W的峰值输出功率。与单个能量收集单元（TENG或EMG）相比,TEHG表现出良好的稳定性,并具有较好的充电性能。在360 s内可将470μF的电容器充电达到3 V,存储的能量可以成功地为数显温湿度计和游标卡尺持续供电。（2）设计了一种基于柔性钕铁硼/乙基纤维素(Nd2Fe14B/EC)复合薄膜的旋转TEHG,包括旋转EMG和独立滑动模式的TENG,用于收集环境中的风能。制得既具有摩擦电性又具有铁磁性的复合薄膜来取代磁铁,可以大大减轻转子的重量。通过设计不同电极间隙的叉指电极,优化复合发电机的性能。电极间隙2 mm设计的TEHG中TENG单元在15.5 m/s条件下可以产生约54.83 V、5.41μA的输出电信号,在外接10 MΩ的负载电阻条件下输出99.22μW的峰值功率,EMG可以产生约0.158 V、59.27μA的输出电信号,在2300Ω的负载电阻条件下可提供2.53μW的峰值输出功率。与单独的TENG或EMG相比,TEHG表现出更好的充电性能。在600 s内可将100μF的电容器充电达到11.6 V,将470μF的电容器充电达到3.4 V,存储的能量可为微电子器件的工作提供能量。（3）提出了一种基于柔性钕铁硼/聚二甲基硅氧烷(Nd2Fe14B/PDMS)复合薄膜的TEHG,来采集环境中的机械能。用高韧性的橡胶类介电材料取代塑性介电材料,将Nd2Fe14B颗粒在介电材料中的掺杂含量提高,进而提升EMG单元的输出性能,同时保证TENG单元的性能不会下降。再通过砂纸对摩擦表面进行处理,进一步提升TENG的输出性能。设计的TEHG中TENG在直线电机提供的3.0 N、2.1 Hz稳定输入条件下可以产生高达392 V、41.52μA的输出电信号,EMG可以产生约0.33 V、1.57 m A的输出电信号。将基于磁性-介电复合膜的TEHG的整体输出性能提升,扩大其应用范围。
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