随着物联网时代的发展,可穿戴电子设备逐渐进入人们的日常生活,如智能手表、智能眼镜等。当前,这些电子设备依然使用传统的电池给其供电,然而这些传统的电池一般都是硬质的,并且其使用寿命有限,需要时常充电或更换,而且还会带来环境污染问题,这些都极大限制了可穿戴设备的应用和发展。因此,发展一种柔性可穿戴的供能设备成为了当前的研究热点。在柔性可穿戴供能设备的研究中,有一种可行的策略是将能量收集装置与能量存储装置相结合,构成自充电供能系统从而驱动柔性可穿戴电子设备。相较于其他能量收集装置,摩擦纳米发电机凭借着质量轻、结构简单、成本低、选材广泛等诸多优点,被认为是新一代具有前景的机械能收集装置。但传统的摩擦纳米发电机虽为柔性材质制成,但在收集无规律的人体运动,如拉伸、扭转、弯折时,这些传统的简单柔性的摩擦纳米发电机的结构会被损坏,其输出性能也会大大降低。因此,开发出一种能适应人体无规律活动的可穿戴摩擦纳米发电机成为了本论文的第一研究重点。在构建自充电供能模块中,能量存储装置的柔性可穿戴能力也十分重要,因此,本论文的第二研究重点就是构建可穿戴自充电供能模块,用以驱动可穿戴电子设备。基于以上研究重点,本论文通过材料的选择和结构的设计,制备出更能满足人体无规则运动需求的可穿戴摩擦纳米发电机,并且对基于可穿戴摩擦纳米发电机的可穿戴自充电供能模块进行了研究。本论文的主要研究结果如下:(1)我们利用液态金属-镓铟锡合金作为器件的电极材料,以有机硅橡胶充当器件的摩擦和封装材料,成功制备了具有超级拉伸能力的摩擦纳米发电机(LM-TENG)。由于液态金属极低的杨氏模量使得LM-TENG的拉伸程度仅仅受控于有机硅橡胶的拉伸程度,最高可达300%。液态金属-镓铟锡合金接触空气时,会在表面瞬间形成一层均匀致密的天然氧化膜,这有效阻止了内部液态金属的进一步氧化,也同时避免了液态金属从有机硅橡胶中渗漏,这极大地提高了LM-TENG的稳定性。在电学输出方面,由于液态金属极高的导电性,LM-TENG展现了单电极模式的可拉伸TENG中最高的输出性能。当运动频率为3 Hz时,LM-TENG(3×6 cm2)的开路电压(Voc)可以达到354.5 V,短路电流(Isc)可以达到15.6μA,转移电荷量(Qsc)分别可达到123.2 nC。同时,液态金属的流动性使得LM-TENG在不同形变状态下均能保持良好的电输出。除块状LM-TENG外,我们还设计了环状和纤维状的LM-TENG,它们能够适应并成功收集人体不同部位的无规则运动所产生的机械能。此外,我们还将LM-TENG与整流桥、电容器相结合,构建了自充电供能系统,成功驱动了多个电子设备如计步器、迷你计算器和电子手表等。(2)利用碳纤维作为电极材料,H3P04/PVA作为固态电解质,有机硅橡胶作为摩擦、封装、隔绝材料,成功构建了同轴自充电供能模块纤维。其中,同轴纤维的内部为能量存储器件-超级电容器(SC),外部为机械能收集装置-摩擦纳米发电机(TENG),之间用有机硅橡胶隔开,防止相互干扰。这是首次成功将能量收集与能量存储器件集合在同一根纤维上的工作。该同轴纤维的直径仅有2 mm,小于大多数TENG纤维,并具有很好的柔性性能,为织物的编织奠定了基础。同轴纤维内部的SC拥有优越的电化学性能和持久的稳定性,它的质量比电容约31.25 mF/g,循环6000次后,电容值仍能保持原来的80%左右。同时,当运动频率为2.5 Hz时,该同轴纤维外部TENG部分的电学输出可以有42.9 V的开路电压、15.1 nC的转移电荷量、0.51μA的短路电流以及1.12μW的最大输出功率。基于该同轴纤维,我们将其编织构成自充电供能织物。通过不断拍击织物上的TENG部分,内部的SC部分会被持续充电,继而用来驱动可穿戴电子设备。