新世纪以来,基于移动互联网的物联网技术已成为新一代信息技术的重要组成部分,广泛应用于健康监测,医疗保健,环境保护,基础设施监测等重要领域。而物联网技术广泛分布的数以万计的节点监测终端传感器的能量供给已成为物联网技术发展的亟待解决技术难题。分布式和可持续的新型能源技术有望成为物联网供能的有效解决方案。美国佐治亚理工学院王中林院士在2006年首次发明了纳米发电机及其自驱动技术,即通过采集自然环境能量实现传感器自供电,尤其在2012年以来发展摩擦纳米发电机(TENG)能有效采集收集低频机械能并将其转化为电能,具有制备简单、成本低、转化效率高等优点,在实现自驱动物联网技术领域展现了巨大的应用潜力。本论文基于摩擦电效应,通过研制新型纳米摩擦电材料、设计优化器件结构、优化制备工艺、耦合其他效应等手段,开展了一系列高性能摩擦纳米发电机与自驱动传感的基础应用研究。全文的主要研究内容如下:(1)针对风能任意性和随机性所导致难以收集难题,本论文设计了基于摩擦电效应的草坪结构的新型风能摩擦纳米发电机。通过对器件尺寸、间距、不同的摩擦电极材料和阵列式结构设计等系统优化,有效地解决了TENG广泛存在的输出电流较小问题,提高了TENG的输出电流和功率密度;同时,在不同风速和风向的系统研究与测试分析,结果表明草坪结构的摩擦纳米发电机能有效地收集超宽风速范围且任意风向的风能;电极材料表面优异的疏水性能使得TENG具备良好的自清洁特性,有效提高其环境稳定性;在一个屋顶面积约为300平方米的普通住宅安装十层阵列TENG,预计的输出电能为7.11k W,功率密度为23.7 W/m~2;该工作为风力发电领域提供了一种性能优异、制作简单、成本较低的新方法。(2)摩擦纳米发电机的产业化需要不断提高摩擦纳米发电机的输出性能。本论文发明了一种低成本、稳定、高性能摩擦纳米发电机微孔泡沫镍正极材料,配对柔软的聚二甲基硅氧烷摩擦负极材料,通过器件的尺寸和重量的优化设计,所制备器件能实现超宽范围低频振动能收集并高效电能输出。(3)针对柔性可穿戴式的电子产品对供电单元形状和多功能性的新要求,本论文采用新型功能梯度材料的3D打印技术,开发了一种具有多级梯度响应的摩擦纳米发电机。功能梯度材料可实现可控的梯度机械性能,如具有可控的屈曲顺序、可控的断裂路径和连续的形状记忆行为等。结合功能梯度材料顺序梯度形变的优点,具有多级梯度响应的摩擦纳米发电机可产生多级电信号,实现不同机械能的有效能量采集与传感。该功能材料3D打印技术为定制化和功能化的摩擦纳米发电机提供了新途径。(4)针对绿色能量收集摩擦纳米发电机所用聚合物电极材料的生态不友好问题。本论文开发摩擦纳米发电机天然高分子纤维素II气凝胶电极材料,通过简单的纤维素溶解-再生工艺,制备了具有优异柔性和比表面积大的多孔纤维素II气凝胶。基于纤维素II气凝胶的TENG展示出优异的机械响应灵敏度和电性能。通过与其他的低成本天然多糖复合,为纤维素II气凝胶引入了强给电子基团和吸电子基团,大大地提高了TENG的电学性能,拓展了摩擦电极材料的摩擦电序列。结合纤维素II气凝胶材料和结构的优点,纤维素II气凝胶的TENG为实现高性能的、生态友好的能量采集和自供电传感系统提供了一种绿色、有效、低成本的新方法。(5)物联网时代对交互式传感器带来了挑战,迫切需求具有自驱动、多交互方式、高灵敏度的新型传感器。本论文通过与电致发光效应耦合,发明了一种基于摩擦电诱导电致发光效应的新型自驱动人造皮肤。这种人造皮肤能够检测压力、应变和剪切力等多种机械刺激。基于光传感的人造皮肤能够实现动态压力和剪切力及其分布进行实时监测。发光所产生的可视化表面促进了两种仿生应用:机械驱动可见光通信系统和穿戴式手势识别手套。这种新型的人造皮肤首次以一种自驱动的方式实现了多种力传感和可视化交互,而且基于光学传感可以免除生活中的静电噪声并适用于大范围生产。(6)工业领域对高精度测量位移和速度传感器有着迫切需求,然而现有技术往往在分辨率、工作距离和设计复杂性之间存在权衡。本论文基于摩擦诱导电致发光效应设计了一种自驱动高灵敏运动传感器,具有高分辨率、大动态范围和长检测距离等优点。在运动过程中,通过对传感基质自身产生的光信号进行监测,可以实时检测位移和速度。这种自驱动传感器能够检测多个速度范围(10μm/s-4000μm/s)的运动,展现出优异的线性响应灵敏度,速度检测极限达到10μm/s。在长连续100次步进10 cm位移的监测中实时平均速度偏差小于2%,位移偏差小于4%。且该自驱动传感器实现了转速的有效监测。通过增加转子叶片数目,可进一步提高转速传感的分辨率。这种基于摩擦电诱导电致发光效应的新型运动传感器具有自驱动技术、高灵敏度、制备工艺简单、大动态检测范围和抗电磁干扰等优点,在自动化、制造、过程控制、便携式设备、物联网等领域具有广泛的应用潜力。